Mejora de la absorción en el infrarrojo cercano mediante fabricación en dos pasos de silicio negro estructurado y sus aplicaciones en dispositivos

Resumen

El silicio es la base de la industria semiconductora, sin embargo, su alta reflectancia inherente y banda ancha limitan el rendimiento en fotodetección en el infrarrojo cercano (NIR). En este trabajo, empleamos un enfoque de fabricación en dos pasos —grabado reactivo de iones profundo (DRIE) seguido de implantación de iones por inmersión en plasma (PIII)— para crear silicio negro microestructurado (BSi) sobre silicio cristalino (C-Si). La superficie dopada con azufre produce una banda estrechada y una absorbancia notablemente mejorada, particularmente entre 800 y 2000 nm, con un máximo del 83 %. Al incorporarse como superficie posterior de un fotodiodo Si-PIN, la capa BSi entrega una responsividad de 0.53 A W⁻¹ a 1060 nm, destacando su potencial para detección NIR de alta sensibilidad.

Antecedentes

El silicio negro micro y nanoestructurado se ha convertido en foco para mejorar la absorción de luz en los espectros visible y NIR. DRIE, una técnica cíclica de grabado-pasivación que emplea SF₆ para grabado isotrópico y C₄F₈ para pasivación de paredes laterales, facilita la creación de estructuras de alto aspecto cuya geometría se rige por dimensiones de máscara, flujos de gas, potencia de electrodo y duración de ciclo. La posterior implantación de iones dopa el silicio grabado, introduciendo átomos de azufre que generan estados sub-banda y amplían el espectro de absorción. Estas superficies ingenieradas han encontrado aplicaciones en fotodetectores sensibles, celdas fotovoltaicas, sensores bioquímicos, pantallas y comunicaciones ópticas. En nuestro estudio previo, investigamos un detector Si-PIN con BSi en la superficie frontal, observando un compromiso entre sensibilidad NIR y responsividad en luz visible debido a desafíos en la recolección de portadores. Esto motivó la investigación actual de BSi en la superficie posterior para mejorar simultáneamente la sensibilidad NIR y mantener un rendimiento visible aceptable.

El presente artículo informa sobre la mejora de la absorbancia y el estrechamiento de banda logrado por el proceso DRIE-PIII en dos pasos. Analizamos cómo diferentes parámetros de grabado afectan la absorbancia de 400 a 2000 nm y evaluamos un detector Si-PIN que incorpora BSi en la superficie posterior para responsividad en 400–1100 nm.

Métodos

La Figura 1a ilustra los arreglos cilíndricos periódicos uniformes seleccionados para simulaciones ópticas usando software FDTD. La Figura 1b muestra cómo varía la absorbancia con cuatro modelos de arreglos cilíndricos que comparten diámetro (D = 4 µm) pero difieren en espaciado central (T₁ = 12 µm, T₂ = 10 µm, T₃ = 8 µm, T₄ = 6 µm) tras optimización.

Basados en la simulación, se diseñaron tres máscaras de fotolitografía: máscara I (D = 4 µm, T = 6 µm), máscara II (D = 4 µm, T = 8 µm) y máscara III (D = 4 µm, T = 10 µm). Un wafer de silicio tipo n de 15 × 15 cm² (500 µm espesor, resistividad 2500–3000 Ω cm) recibió fotorresista NR9-1500PY y se patrón con los arreglos circulares. El wafer se grabó en cámara DRIE (ICP-100D) usando ciclos de SF₆ (grabado) y C₄F₈ (pasivación) por 30, 70 o 100 repeticiones. Post-grabado, el fotorresista residual se removió bajo plasma de oxígeno para obtener superficies limpias. Para mejorar aún más la absorbancia NIR, las muestras de máscara III se sometieron a PIII con dosis de azufre de 1.0 × 10¹⁵ cm⁻² a 800 eV.

La morfología se examinó con SEM de emisión de campo JSM-7500F. La absorbancia se midió a temperatura ambiente usando un espectrómetro de fibra óptica NIR2500 acoplado a una esfera integradora Idea Optics (IS-20-5). La responsividad del detector se determinó con un medidor de potencia óptica OPHIR Vega, un chopper óptico Scitec Instruments (Model-300CD) y un Keithley 2636B en condiciones de oscuridad. Todas las mediciones se calibraron y repitieron en 4–6 muestras para garantizar fiabilidad.

Resultados y Discusión

La Figura 3 presenta imágenes SEM de los arreglos microestructurados alineados para los tres tamaños de máscara. La vista superior se desvía de círculos perfectos debido a la interacción entre grabado DRIE y fidelidad de máscara. La profundidad de grabado aumenta con el número de ciclos, alcanzando ~1.87 µm (30 ciclos), 2.35 µm (70 ciclos) y 3.15 µm (100 ciclos). El grabado lateral, a pesar de la pasivación de paredes laterales, conduce a pilares ligeramente cónicos, confirmando la necesidad de afinar litografía y parámetros de ciclo para morfología óptima.

Vistas seccionales (Figura 4) confirman el aumento progresivo de la altura de pilares con el número de ciclos. Aunque la capa de pasivación de DRIE protege las paredes laterales, permanece algo de grabado lateral, influyendo en la forma final.

La Figura 5a muestra la absorbancia de los arreglos microestructurados sin PIII. Comparado con C-Si desnudo, los arreglos grabados mejoran la absorbancia en 400–2000 nm, con la muestra de 100 ciclos alcanzando hasta 70 % en NIR. Múltiples reflexiones internas dentro de los pilares aumentan la longitud de camino óptico, incrementando la absorción. Sin embargo, la absorbancia por encima de 1000 nm permanece modesta, motivando el dopaje con azufre. Tras PIII, la Figura 5b revela un aumento pronunciado de absorbancia en todo el espectro. La absorbancia máxima de la muestra de 100 ciclos sube al 83 %, y la absorbancia promedio alcanza 62 %. La implantación de azufre introduce bandas de impurezas que se solapan, estrechando la banda efectiva y permitiendo absorción de fotones sub-banda. Esto es evidente en la reducción de banda de 1.12 eV (C-Si) a 1.045 eV, 1.033 eV y 1.025 eV para 30, 70 y 100 ciclos, respectivamente (Figura 7). El análisis empleó teoría de Kubelka-Munk y gráficos Tauc para extraer estos valores. La Figura 6 ilustra el mecanismo de multi-reflexión dentro de los arreglos de pilares, explicando la absorbancia mejorada.

La integración del BSi de superficie posterior en un fotodiodo Si-PIN (Figura 8a) involucró: (1) oxidar ambos lados de un wafer monocristalino tipo n; (2) difundir boro para formar la capa P en el frente; (3) depositar Si₃N₄ y pulir el dorso a ~200 µm; (4) dopar una capa N⁺ y crecer los pilares BSi sobre ella; y (5) patrón de contactos metálicos. El Dispositivo 2, con área fotosensible de 2 mm de diámetro, exhibe corriente oscura comparable a fotodiodos Si-PIN comerciales. Bajo iluminación a 1060 nm, su responsividad alcanza 0.53 A W⁻¹, una mejora marcada sobre el S1336-44BK comercial (dispositivo 1). Notablemente, la responsividad del dispositivo 2 en el rango 680–1100 nm supera al dispositivo 1 en ~60 nm, confirmando la eficacia del BSi en superficie posterior para extender la sensibilidad NIR.

La mejora limitada del dispositivo 2 en responsividad de luz visible se debe a que los fotones por encima de la banda de C-Si se absorben en la capa P frontal, haciendo que el BSi posterior sea irrelevante para la recolección de portadores. En contraste, los fotones NIR penetran la capa frontal, se absorben en la capa N, y los portadores resultantes son recolectados eficientemente por el contacto N⁺ bajo sesgo inverso, conduciendo a la ganancia sustancial de responsividad.

Aunque el presente estudio demuestra una ruta viable a fotodiodos con NIR mejorado, una mayor optimización de parámetros DRIE, energías de implantación iónica y arquitecturas de dispositivo podría rendir rendimiento aún más alto y aplicabilidad más amplia.

Conclusiones

Hemos fabricado exitosamente silicio negro microestructurado vía proceso DRIE-PIII en dos pasos. Tres geometrías de pilares (máscara I: D = 4 µm, T = 6 µm; máscara II: D = 4 µm, T = 8 µm; máscara III: D = 4 µm, T = 10 µm) produjeron alturas de 1.87, 2.35 y 3.15 µm, respectivamente. Estas estructuras lograron absorbancia máxima del 83 % y promedio del 62 % en 400–2000 nm, atribuida a mayor longitud de camino óptico y banda estrechada por dopaje de azufre. Incorporar el BSi como superficie posterior de un fotodiodo Si-PIN produjo responsividad de 0.53 A W⁻¹ a 1060 nm y 0.31 A W⁻¹ a 1100 nm, superando marcadamente al detector comercial S1336-44BK en NIR. Este enfoque ofrece una vía prometedora para fotodetectores NIR de alta sensibilidad.