Propiedades ópticas y electrónicas de fotodiodos N + / P de silicio hiperdopado con azufre inducido por láser de femtosegundo

Resumen

La fotorrespuesta del infrarrojo cercano (NIR) mediada por impurezas en el silicio es de gran interés para la energía fotovoltaica y los fotodetectores. En este artículo, hemos fabricado una serie de n ⁺ / p fotodetectores con silicio hiperdopado preparados mediante implantación de iones y láser pulsado de femtosegundos. Estos dispositivos mostraron una mejora notable en la absorción y la fotorrespuesta en longitudes de onda NIR. El dispositivo fabricado con una dosis de implantación de 10 ¹⁴ iones / cm ² ha exhibido el mejor desempeño. El método propuesto ofrece un enfoque para fabricar fotodetectores basados en silicio de banda ancha de bajo costo.

Antecedentes

Los dispositivos tradicionales basados en silicio no podían mostrar la fotorrespuesta NIR deseable debido a la limitación de la banda prohibida óptica (1,12 eV) del silicio [1], y se han hecho muchos intentos para mejorar la absortancia del material de silicio, especialmente en longitudes de onda NIR [2,3, 4,5,6,7,8,9]. El descubrimiento de silicio sobresaturado con calcógeno fabricado por irradiación láser en SF ₆ atmósfera demostró un enfoque para mejorar la absorción sub-bandgap [10, 11]. En este proceso, el material puede doparse más allá del límite de solubilidad [12]. Además, el efecto de captura de luz causado por la estructura de cono puntiagudo único en la superficie de silicio también aumenta la eficiencia de la absorción de luz [13]. En este artículo, hemos fabricado silicio hiperdopado preparado mediante implantación de iones y láser pulsado de femtosegundos. La medición de Hall se llevó a cabo para medir las propiedades eléctricas del silicio hiperdopado. Fotodetectores basados en n ⁺ La unión / p demostró un alto rendimiento tanto en la absorción NIR como en la fotorrespuesta.

Métodos

Obleas de silicio tipo p pulidas por una cara [100] (300 μm) con resistividad de 8-12 Ω cm se implantaron con iones de 1,2 keV ³² S ⁺ a una profundidad de aproximadamente 40 nm a temperatura ambiente. Las dosis de implantación fueron 1 × 10 ¹⁴ , 1 × 10 ¹⁵ y 1 × 10 ¹⁶ iones / cm ² . La fusión por láser pulsado (PLM) se llevó a cabo mediante un tren de 1 kHz de 100 fs, pulsos de láser de femtosegundos de 800 nm con una fluencia de 0,5 J / cm ² . Luego, el punto de láser de 200 μm de diámetro se enfoca en el silicio y áreas cuadradas con patrones de hasta 10 mm × 10 mm. El recocido térmico rápido (RTA) se implementó a 600 ° C durante 30 min en un N ₂ atmósfera.

Determinamos la absortancia ( A ) de las muestras midiendo la reflectancia ( R ) y transmitancia ( T ) utilizando un espectrofotómetro UV-Vis-NIR (UV3600, Shimadzu, Tokio, Japón) equipado con un detector de esfera integradora [3]. La absortancia fue calculada por A =1- R - T . La concentración y la movilidad de los portadores se midieron mediante el sistema de medición del efecto Hall a temperatura ambiente (mediante la técnica de van der Pauw) [14]. Para investigar si la impureza / banda intermedia (IB) formada por las impurezas de azufre en el silicio mejora la fotorrespuesta sub-bandgap, empleamos un método de espectroscopía de fotocorriente por transformada de Fourier como se describe en la Ref. [15, 16], donde la fuente de luz globar FTIR cortada se enfoca en la muestra, y la fotocorriente generada luego es demodulada por un amplificador de bloqueo externo y finalmente retroalimentada al puerto externo del FTIR.

Resultados y discusión

La figura 1 muestra la absortancia de muestras de silicio implantadas a diferentes dosis. Las muestras procesadas con PLM mostraron la mayor absortancia en longitudes de onda visibles y NIR, mientras que las muestras tal como se implantaron mostraron la absortancia más baja. Sin embargo, el proceso de recocido reduce la absorción en la región NIR de los espectros. La alta absortancia Vis-NIR del silicio microestructurado se atribuye a las siguientes razones:banda de impurezas inducida por hiperdopaje y efecto de atrapamiento de luz generado en la superficie microestructurada. Como se ilustra en la Fig. 1d, una banda de impurezas inducida por dopantes se forma en el silicio, que es responsable de la absorción sub-bandgap [17]. En consecuencia, el silicio hiperdopado muestra una alta absortancia en el rango NIR. Mientras tanto, la fusión por láser reconstruye la superficie de silicio y produce una matriz de conos que conduce a una reflexión y absorción múltiples [13], como se muestra en la Fig. 1e, f. El recocido procesado reduce evidentemente la absortancia en el rango de longitudes de onda NIR, lo que se debe principalmente a los dos aspectos:(1) aniquilar las nanoestructuras en la superficie del silicio, disminuyendo el efecto de atrapamiento de luz [18]; y (2) dan como resultado el reordenamiento de enlaces dentro de la matriz de silicio, que inactiva ópticamente las impurezas de azufre [11].

un - c Dependencia de la absortancia en diferentes procesos de fabricación con varias dosis de implantación. d La banda de impurezas ubicada dentro de la banda prohibida de Si facilita la generación de portadores que participan en la absorción de fotones de menor energía. e Micrografía electrónica de barrido de picos de silicio. f Ilustración de trayectoria óptica en superficie microestructurada

Debido a la estructura de superficie similar creada por los mismos parámetros láser, la intensidad de absorción en el rango NIR depende principalmente de los niveles de impureza del dopante [19]. En el pasado, hemos ilustrado los posibles niveles de energía relacionados con S correspondientes a las características espectrales de fotorrespuesta [20]. Mostró la gran mejora observada en la región NIR como resultado dependiente del nivel de energía relacionado con S (~ 614 meV), que mejoró en gran medida la absortancia sub-bandgap. Antes del proceso de recocido, la absorción no tiene cambios drásticos con respecto a la dosis de dopaje como se muestra en la Fig. 2a. El silicio microestructurado con 10 ¹⁶ y 10 ¹⁵ ion / cm ² La dosis de implantación muestra una absortancia similar, y la muestra implantada a 10 ¹⁴ iones / cm ² muestra una disminución imperceptible. Consideramos que la menor absortancia para muestras recocidas en el rango NIR se puede atribuir a los dos aspectos. M. A. Sheehy y col. [21] propuso que la disminución de la absorción por debajo de la banda prohibida después del proceso de recocido se atribuye a la difusión de los granos cristalinos a los límites de los granos de los dopantes sobresaturados y los defectos. Estos defectos incluyen vacantes, bonos pendientes y bonos flotantes. Una vez que los defectos se difunden a los límites de los granos, ya no contribuirían a las bandas de impurezas en el Si, reduciendo así la absorción de la radiación por debajo de la banda prohibida. Además, la literatura [22] informó que no se produjo una redistribución notable de S hasta que la temperatura de recocido alcanzó los 650 ° C. Durante este proceso, el S parece formar un complejo con los grupos de defectos, lo que significa que los átomos de S se combinarán entre sí en la superficie de la oblea de Si. Este fenómeno conduce a una reducción de la concentración de dopaje activo.

un Dependencia de la absortancia en diferentes dosis de implantación de iones. Todas las muestras fueron microestructuradas por PLM. b Propiedades electrónicas del silicio de referencia y del silicio microestructurado para diferentes dosis de implantación de iones antes del recocido y una después del recocido

La densidad del portador y la movilidad del silicio microestructurado con diferentes dosis de implantación de iones se muestran en la Fig. 2b. Es evidente que la densidad de la hoja aumenta con la dosis de implantación de iones y la movilidad disminuye con el aumento de la dosis de implantación de iones. Según el efecto de recombinación de Shockley-Read-Hall (SRH), en un semiconductor de banda prohibida indirecta como Si y Ge, la vida útil del portador disminuye con el aumento de la concentración de dopante [23, 24]. La disminución de la movilidad conduce a un aumento de la probabilidad de recombinación, por lo que la disminución de la movilidad da como resultado una disminución de la vida útil de los electrones y la disminución de la movilidad con el aumento de la dosis de dopaje es consistente con el efecto de recombinación de SRH. Después del recocido, la densidad del soporte de la hoja disminuye drásticamente debido al efecto de difusión térmica, como discutimos anteriormente.

La figura 3 muestra la fotorrespuesta con diferentes dosis de dopaje, y el recuadro muestra el diagrama del fotodetector n + / p. La fotorrespuesta en el rango NIR indica la aparición de una banda mediada por impurezas. El pico prominente a aproximadamente 960 nm corresponde a la generación de pares de agujeros de electrones en el sustrato de silicio, que están separados por el potencial incorporado de n ⁺ / p y se recogen en los contactos de Al superior e inferior. Este fenómeno es bien conocido como la teoría de la heterounión en los dispositivos de Si [25].

Fotorrespuesta de detectores n + / p con diferente dosis de implantación de iones. El recuadro muestra la vista superior y la vista en sección del dispositivo. El gris claro muestra los patrones de contacto interdigitado en la superficie microestructurada y todo el contacto permanente en la parte trasera

La fotorrespuesta observada en NIR se atribuye a los niveles de impurezas de azufre en el silicio hiperdopado. Dichos niveles de impurezas facilitan la absorción de banda prohibida por debajo como se mencionó anteriormente. La luz NIR absorbida se convierte en pares de electrones y huecos, lo que da como resultado una mejora de la fotorrespuesta en el rango NIR (1100 ~ 1600 nm) [20]. El dispositivo con una dosis de implantación de 10 ¹⁴ iones / cm ² muestra la fotorrespuesta más alta en el rango de longitud de onda de 1010-1100 nm. El pico ancho se ha investigado debido a los niveles profundos de azufre en el silicio procesado con láser de femtosegundos [20, 26]. Además, encontramos que el dispositivo con 10 ¹⁴ iones / cm ² ha mostrado una respuesta fotográfica más alta que aquellos con 10 ¹⁵ y 10 ¹⁶ iones / cm ² . Y la medición de Hall indicó que la muestra implantada a 10 ¹⁴ iones / cm ² tenía una concentración global de 10 ¹⁹ iones / cm ³ . Como lo demuestra el efecto de recombinación de SRH, la vida útil del portador depende de la concentración de dopante en el silicio. E. Mazur ha llegado a la conclusión de que la muestra con 10 ¹⁹ iones / cm ³ Se esperaba que la concentración de dopante mostrara una vida útil del portador más larga que 10 ²⁰ y 10 ²¹ iones / cm ³ [23]. Nuestros resultados de medición Hall, muestra implantada a 10 ¹⁴ iones / cm ² muestra la mayor movilidad, están de acuerdo con la conclusión. Con base en esta teoría, aunque una muestra con una dosis de dopaje más alta muestra una mayor absortancia, todavía existe un equilibrio entre la absorción óptica y la movilidad del portador. Como se muestra en la Fig.3, el dispositivo con 10 ¹⁴ iones / cm ² es más probable que muestre la respuesta fotográfica más alta, lo cual es consistente con la conclusión reportada en la Ref. [23].

Conclusiones

Hemos medido la respuesta de fotodetectores basados en silicio microestructurado con diferente dosis de implantación de iones. La incorporación de impurezas conduce a una mejora notable en la absortancia y fotorrespuesta en longitudes de onda NIR. Y dispositivo implantado a los 10 ¹⁴ iones / cm ² exhibe la mayor fotorrespuesta. El PLM combinado con la implantación de iones demuestra una técnica considerable para la fabricación de detectores NIR. Esta técnica puede ofrecer un enfoque viable para fabricar fotodetectores de banda ancha basados en silicio de bajo costo.

Evaluación de nuevas nanoprobes a base de gadolinio teranósticas marcadas con 64Cu en ratones desnudos portadores de tumores HepG2 Síntesis en un solo recipiente del soporte jerárquico de la aleación de Pd-Cu similar a una flor en el grafeno hacia la oxidación del etanol

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

Teñir

Especias