Rendimiento infrarrojo cercano mejorado de fotodiodos de silicio hiperdopado con azufre fabricados por fusión pulsada láser femtosegundo

Resumen

La fotorespuesta infrarroja cercana (NIR) mediada por impurezas en silicio es objetivo clave para fotovoltaica y fotodetectores de próxima generación. En este estudio, fabricamos una serie de fotodiodos n⁺/p combinando implante iónico azufre con fusión pulsada láser femtosegundo (PLM). Los dispositivos de silicio hiperdopado resultantes exhibieron aumento notable en absorbancia NIR y fotocorriente. El dispositivo implantado a 1×10¹⁴ iones cm⁻² entregó mejor rendimiento, demostrando que dosis moderada de dopante, acoplada con PLM, puede producir fotodetectores silicio broadband de bajo costo.

Introducción

El silicio convencional sufre banda prohibida 1,12 eV, limitando sensibilidad NIR intrínseca. Numerosas estrategias —desde texturizado superficial a dopaje sub-banda prohibida— se han explorado para superar esta barrera. El avance de silicio supersaturado con calcógenos, logrado por irradiación láser en atmósfera SF₆, reveló que silicio puede doparse más allá de su solubilidad equilibrio, creando bandas impureza que absorben bajo banda prohibida. Las microestructuras cónicas formadas durante fusión láser mejoran adicionalmente trampa luz, aumentando eficiencia absorción. Basándonos en estos conceptos, diseñamos silicio hiperdopado azufre mediante implante iónico seguido por PLM femtosegundo, y evaluamos respuesta eléctrica y óptica de fotodetectores unión n⁺/p.

Métodos

Obleas silicio tipo p (100) pulidas una cara (300 µm espesor, 8-12 Ω cm resistividad) implantadas con iones ³²S⁺ 1,2 keV a profundidad ~40 nm. Dosis implante 1×10¹⁴, 1×10¹⁵ y 1×10¹⁶ iones cm⁻² usadas. PLM realizado con tren 1 kHz pulsos 100 fs, 800 nm a fluencia 0,5 J cm⁻²; punto láser 200 µm escaneado para patrones 10 mm × 10 mm. Recocido térmico rápido 600 °C 30 min en N₂ completó proceso.

Absorbancia (A) derivada de reflectancia (R) y transmitancia (T) medidas con espectrofotómetro UV-Vis-NIR (Shimadzu UV3600) y esfera integradora (A = 1 – R – T). Concentración y movilidad portadores obtenidas via efecto Hall temperatura ambiente (método van der Pauw). Para investigar absorción sub-banda prohibida mediada impureza, espectroscopía fotocorriente transformada Fourier realizada usando fuente globar FTIR picada y detección lock-in.

Resultados y discusión

Figura 1 muestra PLM eleva dramáticamente absorbancia en rangos visible y NIR comparado con muestras solo implantadas. Recocido, sin embargo, reduce absorción NIR por dos mecanismos principales: (1) erosión nanoestructuras cónicas disminuye trampa luz, y (2) átomos azufre inactivados ópticamente por rearreglo enlaces. La superficie microestructurada juega papel pivotal en respuesta NIR mejorada.

Como topología superficial idéntica entre muestras, absorbancia NIR depende principalmente concentración azufre. Trabajos previos identificaron nivel azufre ~614 meV, sustentando absorción NIR pronunciada. Pre-recocido, absorbancia relativamente insensible a dosis: 10¹⁶ y 10¹⁵ iones cm⁻² rinden valores similares, mientras 10¹⁴ iones cm⁻² muestra disminución modesta. Post-recocido, caída absorbancia atribuida a difusión dopante a fronteras grano y formación clústeres azufre-defecto, reduciendo densidad banda impureza activa.

Densidad portadores lámina sube con dosis mientras movilidad cae, consistente con recombinación Shockley-Read-Hall: mayores niveles dopante acortan vida portador, subiendo probabilidad recombinación. Recocido reduce densidad lámina dramáticamente por difusión térmica.

Figura 3 presenta espectros fotorespuesta. Pico distinto cerca 960 nm refleja generación pares electrón-hueco sustrato Si, extraídos por campo interno unión n⁺/p. En banda NIR (1100-1600 nm), dispositivo 10¹⁴ iones cm⁻² supera contrapartes mayor dosis, logrando mayor fotocorriente. Datos Hall muestran concentración bulk ~10¹⁹ cm⁻³ y mejor movilidad a esta dosis, confirmando que compromiso óptimo entre absorción inducida impureza y transporte portador rinde rendimiento dispositivo superior.

Conclusiones

Nuestro estudio sistemático demuestra que hiperdopaje azufre vía implante iónico seguido por PLM femtosegundo aumenta significativamente absorbancia NIR silicio y rendimiento fotodetectores. Dispositivo implantado a 1×10¹⁴ iones cm⁻² exhibió mayor fotorespuesta, confirmando equilibrio crítico entre absorción inducida impureza y movilidad portador. Este enfoque escalable, bajo costo allana camino para fotodiodos silicio broadband aptos para fotónica integrada y aplicaciones cosecha energía.