Penyempurnaan penyerap inframerah-dekat:silikon hitam terstruktur dua langkah dan aplikasi perangkatnya

Hasil dan Diskusi

Gambar 3 memberikan gambar SEM khas dari susunan silikon berstruktur mikro yang sejajar yang tegak lurus dengan permukaan substrat untuk tiga ukuran topeng yang berbeda. Terlihat jelas bahwa tampilan atas silikon berstruktur mikro sebenarnya bukan lingkaran standar karena fakta bahwa proses DRIE terutama bergantung pada ukuran topeng dan kualitas teknik fotolitografi. Kemudian, untuk menyelidiki pengaruh proses etsa pada serapan cahaya silikon berstruktur mikro, kami mengubah waktu siklus menjadi 30, 70, dan 100 kali pada sampel pengujian topeng III di bawah kondisi etsa dengan SF₆ selama 3 detik, dan pasif dengan C₄ F₈ selama 2 s, setiap waktu siklus.

Susunan silikon berstruktur mikro khas yang dibuat oleh DRIE untuk ukuran topeng yang berbeda. a Topeng I. b Masker II. c Topeng III

Menurut rasio tingkat etsa yang berbeda antara photoresist dan silikon, kedalaman etsa dapat dikontrol oleh parameter proses selama photoresist cukup tebal sebagai topeng. Dapat dilihat dari Gambar 4 bahwa tinggi silinder meningkat dengan jumlah waktu siklus, di mana ketinggian dari atas ke substrat masing-masing sekitar 1,87 m, 2,35 m, dan 3,15 m. Sebagaimana diketahui bahwa dalam proses DRIE, meskipun terdapat gas-gas pasif untuk melindungi dinding samping target etsa, namun masih sedikit banyak disertai dengan etsa lateral. Hal inilah yang menyebabkan morfologi yang dihasilkan bukanlah susunan silindris yang ideal. Jelas, morfologi susunan silikon berstruktur mikro ini dapat dikontrol dengan baik dengan memvariasikan proses litografi dan waktu siklus etsa.

Tampilan potongan sampel topeng III dibuat untuk waktu siklus yang berbeda. (a ) 30, (b ) 70, dan (c ) 100

Gambar 5a menunjukkan serapan cahaya dari larik silinder berstruktur mikro pada waktu siklus yang berbeda tanpa proses PIII. Terlihat bahwa C-Si dengan susunan silikon tergores, dibandingkan dengan C-Si biasa, dapat meningkatkan serapan cahaya di seluruh rentang panjang gelombang dari 400 hingga 2000 nm sampai batas tertentu. Sampel yang digores untuk 100 waktu siklus menyajikan absorptansi tertinggi, hingga 70% dalam rentang NIR (800 hingga 2000 nm), dan rata-rata serapan sampel ini mencapai 55% dalam rentang panjang gelombang 400 hingga 2000 nm. Hal ini disebabkan oleh beberapa refleksi dan penyerapan silikon berstruktur mikro (seperti pada Gambar. 6). Selama cahaya datang dipantulkan terus menerus pada permukaan samping silinder, panjang jalur absorpsi cahaya datang meningkat, menghasilkan peningkatan absorptansi. Namun demikian, tingkat penyerapannya masih belum cukup tinggi jika panjang gelombangnya lebih dari 1000 nm. Oleh karena itu, untuk lebih meningkatkan penyerapan silikon berstruktur mikro, terutama pada pita inframerah-dekat, sampel yang sama didoping dengan elemen belerang dengan proses PIII pada kondisi 1,0E + 15 cm ^− 2 dosis implantasi dan energi implantasi 800 eV. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5b, serapan cahaya jelas meningkat dalam rentang panjang gelombang dari 400 hingga 2000 nm setelah implantasi ion. Di sini, serapan cahaya sampel yang digores selama 100 waktu siklus jauh lebih tinggi daripada C-Si. Penyerapan cahaya maksimum dan rata-rata meningkat secara signifikan masing-masing hingga 83% dan 62%. Selain itu, seseorang dapat dengan mudah mengamati (seperti pada Gambar 5c) bahwa absorptansi dari 100 sampel siklus memiliki perubahan panjang gelombang yang signifikan dari 800 menjadi 2000 nm sebelum dan sesudah doping elemen belerang, di mana nilai maksimum dan rata-rata meningkat sebesar 13% dan 7%, masing-masing.

Penyerapan C-Si dan silikon hitam yang dibuat dengan waktu siklus yang berbeda sebelumnya (a ) dan setelah PIII (b ) dan perbandingan 100 sampel siklus (c )

Jalur transmisi cahaya datang pada permukaan silikon berstruktur mikro

Penyerapan tinggi ini terutama berasal dari doping belerang di antara susunan silinder berstruktur mikro, membentuk beberapa tingkat pengotor dalam struktur pita energi C-Si. Akibatnya, ketika beberapa tingkat pengotor yang diinduksi ini tumpang tindih, pita pengotor baru terbentuk setelah melebar, yang akhirnya mengurangi celah pita C-Si. Celah pita dapat diperoleh dari spektrum absorptansi sampel dengan pemetaan Tauc. Langkah-langkah spesifik yang diadopsi adalah sebagai berikut:

(i) spektrum reflektansi diubah menjadi fungsi K-M F (R _∞ ) dengan menggunakan teori Kubelka-Munk:

di mana R dan A adalah spektrum reflektansi dan spektrum absorptansi sampel, masing-masing.

(ii) Fungsi K-M F (R _∞ ) disubstitusikan ke dalam rumus Tauc sebagai berikut:

di mana nilai indeks n terkait dengan jenis transisi sampel:transisi langsung, n = 1/2; transisi tidak langsung, n = 2. F (R _∞ ) sebanding dengan koefisien absorpsi , yang dapat diganti dengan F (R _∞ ), dan n = 2 disubstitusikan ke dalam rumus (2) sehingga diperoleh:

(iii) Data spektral reflektansi dan absorptansi sampel disubstitusikan ke dalam Persamaan. (1), dan Persamaan. (1) disubstitusikan ke dalam Persamaan. (4), dengan hv sebagai absis (X sumbu) dan (hvF(R _∞ )) ^1/2 sebagai ordinat (Y sumbu).

(iv) Titik belok (titik maksimum turunan pertama) diperoleh dengan menghitung turunan pertama dari hv -(hvF(R _∞ )) ^1/2 kurva, dan garis singgung kurva dibuat pada titik ini. Nilai absis dari perpotongan garis singgung dan X sumbu adalah celah pita sampel.

Gambar 7 menunjukkan celah pita akhir yang dihitung dari C-Si dan silikon hitam dengan waktu siklus yang berbeda. Dapat dengan mudah ditemukan bahwa tiga celah pita silikon hitam yang lebih rendah masing-masing sebagai 1,045 eV, 1,033 eV, dan 1,025 eV jelas menurun, dibandingkan dengan celah pita C-Si 1,12 eV.

Celah pita C-Si (a ) dan silikon hitam yang dibuat dengan waktu siklus yang berbeda:(b ) 30, (c ) 70, (d ) 100

Berdasarkan silikon hitam di atas dengan sifat optik yang ditingkatkan, detektor Si-PIN dengan silikon hitam yang terbentuk di permukaan belakang telah dibuat. Pertama, wafer silikon monokristalin intrinsik murni (tipe-n) dioksidasi di kedua sisi membentuk SiO₂ lapisan. Kedua, lapisan P dibuat dengan difusi boron pada daerah fotosensitif yang terbentuk lebih awal dengan etsa SiO₂ lapisan pada permukaan depan wafer melalui proses fotolitografi. Ketiga, lapisan Si₃ N₄ film permeasi diendapkan pada lapisan P, dan kemudian permukaan belakang wafer dipoles dan digiling hingga ketebalan sekitar 200 μm. Keempat, N ⁺ . yang didoping-P lapisan diendapkan pada permukaan yang digiling, dan kemudian silikon hitam berstruktur mikro terbentuk di atas N ⁺ lapisan. Terakhir, jendela elektroda digores dengan proses fotolitografi dan elektroda logam diendapkan di kedua sisi wafer. Gambar 8 memberikan gambar perangkat nyata (a), arus gelap (b), kurva I–V di bawah iluminasi panjang gelombang 1060 nm (c), dan perbandingan responsivitas dua detektor berbeda (d). Dengan ini dinyatakan bahwa responsivitas perangkat 1 (S1336-44BK, detektor Si-PIN komersial) diplot ulang berdasarkan Situs Web umum Perusahaan Hamamatsu Photonics [22], dan responsivitas perangkat 2 diperoleh pada detektor Si-PIN fabrikasi dengan silikon hitam yang terbentuk di permukaan belakang, di mana permukaan fotosensitifnya berbentuk lingkaran dengan diameter 2 mm. Dapat dilihat dengan jelas bahwa perangkat 2 melakukan peningkatan responsivitas yang substansial, terutama pada panjang gelombang inframerah-dekat, yaitu, 0,53 A/W pada 1060 nm dan 0,31 A/W pada 1100 nm.

Gambar pendeteksi (a ), arus gelap (b ), kurva I–V di bawah iluminasi panjang gelombang 1060 nm (c ), dan respons dari dua detektor berbeda (d ):perangkat 1 dari ref. [22] dan perangkat 2 berdasarkan hasil makalah ini. Sisipan d menunjukkan struktur perangkat

Dapat dilihat dari Gambar 8b bahwa meskipun detektor Si-PIN dengan silikon hitam terbentuk di permukaan belakang (perangkat 2) menunjukkan peningkatan responsivitas yang relatif kecil dalam spektrum tampak, spektrum responsnya memberikan responsivitas yang lebih tinggi dalam panjang gelombang berkisar dari 680 hingga 1100 nm dengan sekitar 60 nm pergeseran merah pada responsivitas puncak, dibandingkan dengan detektor Si-PIN komersial (perangkat 1). Alasan utama untuk perbedaan tersebut adalah bahwa struktur perangkat dari kedua detektor ini (perangkat 1 dan 2) berbeda. Ketika energi foton lebih besar dari celah pita C-Si, cahaya datang terutama diserap oleh lapisan P sehingga pembawa yang dihasilkan memiliki energi yang cukup untuk mentransmisikan lapisan N. Sebagian besar operator yang dihasilkan dapat dikumpulkan oleh N ⁺ lapisan untuk mengeluarkan arus foto melalui elektroda. Dalam kondisi ini, apakah permukaan belakang detektor dimasukkan dengan atau tanpa silikon hitam, akan ada pengaruh terbatas pada respons perangkat dalam panjang gelombang tampak. Berbeda dari detektor dengan silikon hitam di permukaan depan [21], perangkat 2 menunjukkan respons yang lebih baik dalam panjang gelombang tampak. Itulah mengapa ada peningkatan yang relatif kecil dalam respons cahaya tampak menurut kurva responsivitas yang diukur. Sekali lagi di perangkat 2, karena lapisan silikon hitam dipasang di permukaan belakang, bahkan jika energi foton lebih kecil dari celah pita C-Si, cahaya inframerah-dekat mampu menembus lapisan P dan diserap oleh lapisan N, dan maka sejumlah besar operator yang dihasilkan dapat dikumpulkan oleh N ⁺ lapisan di bawah aksi bias terbalik. Akibatnya, akan ada keluaran arus foto yang dapat dihitung dan perangkat menunjukkan peningkatan responsivitas yang substansial dalam panjang gelombang inframerah-dekat.

Menurut hasil di atas, penelitian kami saat ini dapat memberikan strategi yang layak untuk bidang deteksi fotoelektronik inframerah-dekat, tetapi masih banyak aspek yang harus dipertimbangkan. Misalnya, proses fabrikasi yang lebih baik dan teknologi implantasi ion dari silikon hitam berstruktur mikro, yang dapat secara tepat mengontrol morfologi dan celah pita dari silikon terstruktur harus dieksplorasi. Selanjutnya, beberapa struktur perangkat baru lainnya dari detektor fotoelektronik berbasis silikon hitam harus dirancang untuk mewujudkan kinerja perangkat yang lebih baik.