Properti Optik dan Elektronik dari Femtosecond Laser-Induced Sulfur-Hyperdoped Silicon N+/P Fotodioda

Hasil dan Diskusi

Gambar 1 menunjukkan serapan sampel silikon yang ditanamkan pada dosis yang berbeda. Sampel yang diproses dengan PLM menunjukkan absorptansi tertinggi pada panjang gelombang tampak dan NIR sedangkan sampel yang ditanamkan menunjukkan absorptansi terendah. Namun, proses anil mengurangi penyerapan di wilayah spektrum NIR. Penyerapan Vis-NIR yang tinggi dari silikon berstruktur mikro dianggap berasal dari alasan berikut:pita pengotor yang diinduksi hiperdoping dan efek perangkap cahaya yang dihasilkan permukaan berstruktur mikro. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1d, pita pengotor yang diinduksi oleh dopan terbentuk dalam silikon, yang bertanggung jawab untuk penyerapan celah pita [17]. Akibatnya, silikon hiperdoping menunjukkan absorptansi tinggi dalam kisaran NIR. Sementara itu, peleburan laser merekonstruksi permukaan silikon dan menghasilkan susunan kerucut yang mengarah ke beberapa refleksi dan penyerapan [13], seperti yang ditampilkan pada Gambar. 1e, f. Proses annealing terbukti mengurangi absorptansi pada rentang panjang gelombang NIR, yang terutama disebabkan oleh dua aspek:(1) memusnahkan struktur nano pada permukaan silikon, mengurangi efek light trapping [18]; dan (2) menghasilkan penataan ulang ikatan dalam matriks silikon, yang secara optik menonaktifkan pengotor belerang [11].

a –c Ketergantungan absorptansi pada proses fabrikasi yang berbeda dengan berbagai dosis implantasi. d Pita pengotor yang terletak di dalam celah pita Si memfasilitasi generasi pembawa yang berpartisipasi dalam penyerapan foton energi yang lebih rendah. e Memindai mikrograf elektron dari paku silikon. f Ilustrasi jalur optik pada permukaan berstruktur mikro

Karena struktur permukaan serupa yang dibuat oleh parameter laser yang sama, intensitas penyerapan dalam rentang NIR terutama tergantung pada tingkat pengotor dopan [19]. Di masa lalu, kami telah mengilustrasikan kemungkinan tingkat energi terkait S yang sesuai dengan fitur spektral fotorespons [20]. Ini menunjukkan peningkatan besar yang diamati di wilayah NIR yang bergantung pada hasil dari tingkat energi terkait S (~ 614 meV), yang sangat meningkatkan absorptansi celah pita. Sebelum proses anil, penyerapan tidak memiliki perubahan dramatis sehubungan dengan dosis doping seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a. Silikon berstruktur mikro dengan 10 ¹⁶ dan 10 ¹⁵ ion/cm ² dosis implantasi menunjukkan serapan yang sama, dan sampel ditanamkan pada 10 ¹⁴ ion/cm ² menunjukkan penurunan yang tidak terlalu mencolok. Kami menganggap absorptansi yang lebih rendah untuk sampel anil dalam kisaran NIR dapat dianggap berasal dari dua aspek. M. A. Sheehy dkk. [21] mengusulkan penurunan penyerapan di bawah celah pita setelah proses anil dikaitkan dengan difusi keluar dari butiran kristal ke batas butir dari dopan dan cacat lewat jenuh. Cacat ini meliputi kekosongan, obligasi menjuntai, dan obligasi mengambang. Setelah cacat menyebar ke batas butir, mereka tidak lagi memberikan kontribusi pada pita pengotor di Si, sehingga mengurangi penyerapan radiasi di bawah celah pita. Selain itu, literatur [22] melaporkan bahwa tidak ada redistribusi yang luar biasa dari S terjadi sampai suhu anil mencapai 650 °C. Selama proses ini, S tampak kompleks dengan kluster cacat, yang berarti atom S akan bergabung satu sama lain pada permukaan wafer Si. Fenomena ini mengarah pada pengurangan konsentrasi doping aktif.

a Ketergantungan absorptansi pada dosis implantasi ion yang berbeda. Semua sampel distrukturkan secara mikro oleh PLM. b Sifat elektronik dari silikon referensi dan silikon berstruktur mikro untuk dosis implantasi ion yang berbeda sebelum annealing dan satu setelah annealing

Kepadatan pembawa dan mobilitas silikon berstruktur mikro dengan dosis implantasi ion yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 2b. Jelaslah bahwa kerapatan lembaran meningkat dengan dosis implantasi ion, dan mobilitas menurun dengan meningkatnya dosis implantasi ion. Menurut efek rekombinasi Shockley-Read-Hall (SRH), dalam semikonduktor celah pita tidak langsung seperti Si dan Ge, masa pakai pembawa berkurang dengan meningkatnya konsentrasi dopan [23, 24]. Penurunan mobilitas menyebabkan peningkatan probabilitas rekombinasi, sehingga penurunan mobilitas mengakibatkan penurunan masa hidup elektron dan penurunan mobilitas dengan meningkatnya dosis doping konsisten dengan efek rekombinasi SRH. Setelah anil, kepadatan pembawa lembaran menurun secara dramatis karena efek difusi termal seperti yang telah kita diskusikan sebelumnya.

Gambar 3 menunjukkan respons foto dengan dosis doping yang berbeda, dan sisipan menunjukkan diagram n+/p fotodetektor. Respon foto pada kisaran NIR menunjukkan munculnya pita yang dimediasi pengotor. Puncak yang menonjol pada sekitar 960 nm sesuai dengan generasi pasangan elektron-lubang di substrat silikon, yang dipisahkan oleh potensi bawaan n ⁺ /p junction dan dikumpulkan pada kontak Al atas dan bawah. Fenomena ini dikenal sebagai teori heterojungsi dalam perangkat Si [25].

Fotorespons detektor n+/p dengan dosis implantasi ion yang berbeda. Inset menunjukkan tampilan atas dan tampilan bagian perangkat. Abu-abu muda menunjukkan pola kontak interdigitated pada permukaan berstruktur mikro dan semua kontak berdiri di bagian belakang

Respons foto yang diamati dalam NIR dianggap berasal dari tingkat pengotor belerang dalam silikon hiperdoped. Tingkat pengotor tersebut memfasilitasi penyerapan celah pita di bawah seperti yang disebutkan di atas. Cahaya NIR yang diserap diubah menjadi pasangan lubang elektron, menghasilkan peningkatan respons foto dalam rentang NIR (1100 ~ 1600 nm) [20]. Perangkat dengan dosis implantasi 10 ¹⁴ ion/cm ² menunjukkan fotorespons tertinggi dalam rentang panjang gelombang 1010-1100 nm. Puncak luas telah diselidiki memiliki kadar sulfur yang dalam dalam silikon yang diproses dengan laser femtosecond [20, 26]. Selain itu, kami menemukan bahwa perangkat dengan 10 ¹⁴ ion/cm ² telah menunjukkan respons foto yang lebih tinggi dibandingkan dengan 10 ¹⁵ dan 10 ¹⁶ ion/cm ² . Dan pengukuran Hall menunjukkan bahwa sampel ditanamkan pada 10 ¹⁴ ion/cm ² memiliki konsentrasi massal 10 ¹⁹ ion/cm ³ . Seperti yang ditunjukkan oleh efek rekombinasi SRH, masa pakai pembawa tergantung pada konsentrasi dopan dalam silikon. E. Mazur telah menyimpulkan bahwa sampel dengan 10 ¹⁹ ion/cm ³ konsentrasi dopan diharapkan menunjukkan masa pakai pembawa yang lebih lama dari 10 ²⁰ dan 10 ²¹ ion/cm ³ [23]. Hasil pengukuran Hall kami, sampel ditanamkan pada 10 ¹⁴ ion/cm ² menunjukkan mobilitas tertinggi, sesuai dengan kesimpulan. Berdasarkan teori ini, meskipun sampel dengan dosis doping yang lebih tinggi menunjukkan absorptansi yang lebih besar, masih ada keseimbangan antara penyerapan optik dan mobilitas pembawa. Seperti yang disajikan pada Gambar. 3, perangkat dengan 10 ¹⁴ ion/cm ² kemungkinan besar menunjukkan respons foto tertinggi, yang konsisten dengan kesimpulan yang dilaporkan dalam Ref. [23].