Performa Infra Merah Dekat Tinggi Dioda Fotovoltaik Silikon Hiper-Doped Sulfur dengan Pencairan Terpadu Femtosekon Laser

Abstrak

Respon inframerah dekat (NIR) yang diinduksi oleh impuritas di silikon adalah tujuan utama untuk sel surya dan detektor cahaya generasi berikutnya. Dalam studi ini, kami memproduksi serangkaian dioda n+/p fotovoltaik dengan menggabungkan implanasi ion sulfur dengan pencairan terpadu laser femtosekon (PLM). Dioda silikon hiper-doped yang dihasilkan menunjukkan peningkatan yang mencolok dalam serapan NIR dan arus foto. Dioda yang diimplantasi pada 1 × 10^14 ion cm–2 memberikan performa terbaik, menunjukkan bahwa dosis dopant yang modest, ketika dikombinasikan dengan PLM, dapat menghasilkan detektor cahaya silikon broadband berbiaya rendah.

Latar Belakang

Silikon konvensional menderita jarak gelinding 1,12 eV, yang membatasi sensivitas NIR intrinsiknya. Berbagai strategi—mulai dari tekstur permukaan hingga dopant sub-jarak gelinding—telah dieksplorasi untuk mengatasi hambatan ini. Kemajuan silikon supersaturasi kalsogen, yang dicapai dengan iradiasi laser dalam atmosfer SF6, mengungkapkan bahwa silikon dapat di-dop di luar kesenjaman seimbangnya, menciptakan gelinding impuritas yang menyerap di bawah jarak gelinding. Struktur mikro kerucut yang terbentuk selama pencairan laser lebih meningkatkan penangkap cahaya, meningkatkan efisiensi serapan. Berdasarkan konsep ini, kami merancang silikon hiper-doped sulfur melalui implanasi ion diikuti oleh PLM femtosekon, dan mengevaluasi respons listrik dan optik detektor cahaya juncsi n+/p.

Metode

Wafer silikon tipe-p (100) dipolesir satu sisi (tebal 300 µm, resistivitas 8–12 Ω cm) diimplantasi dengan ion 32S+ 1,2 keV kedalaman ~40 nm. Dosis implanasi 1 × 10^14, 1 × 10^15, dan 1 × 10^16 ion cm–2 digunakan. PLM dilakukan menggunakan kereta 1 kHz dari pulsa 100 fs, 800 nm pada fluensi 0,5 J cm–2; titik laser 200 µm dipindai untuk memola persegi 10 mm × 10 mm. Penganaling termal cepat pada 600 °C selama 30 menit di bawah N2 menyelesaikan proses.

Serapan (A) diperoleh dari refleksi (R) dan transmisi (T) yang diukur dengan spektrofotometer UV–Vis–NIR (Shimadzu UV3600) dan bola integrasi (A = 1 – R – T). Konsentrasi dan mobilitas carrier diperoleh melalui efek Hall suhu ruang (metode van der Pauw). Untuk menelusuri serapan sub-jarak gelinding yang diinduksi oleh impuritas, spektroskopi arus foto transformasi Fourier dilakukan menggunakan sumber globar FTIR yang dipotong dan deteksi lock-in.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1 menunjukkan bahwa PLM secara dramatis meningkatkan serapan di seluruh rentang terlihat dan NIR dibandingkan sampel yang diimplantasi saja. Penganaling, namun, mengurangi serapan NIR karena dua mekanisme utama: (1) erosi struktur nano kerucut mengurangi penangkap cahaya, dan (2) atom sulfur secara optik dinonaktifkan melalui susunan ulang ikatan. Permukaan mikrostruktur memainkan peran penting dalam respon NIR yang ditingkatkan.

a–c Serapan versus proses pembuatan dan dosis implanasi. d Gelinding impuritas dalam jarak gelinding Si yang memungkinkan serapan sub-jarak gelinding. e Citra SEM duri silikon. f Jalur optik pada permukaan mikrostruktur.

Karena topologi permukaan identik di seluruh sampel, serapan NIR terutama bergantung pada konsentrasi sulfur. Kerja sebelumnya mengidentifikasi tingkat terkait sulfur pada ~614 meV, yang mendasari serapan NIR yang mencolok. Sebelum penganaling, serapan relatif tidak sensitif terhadap dosis: 10^16 dan 10^15 ion cm–2 menghasilkan nilai yang serupa, sementara 10^14 ion cm–2 menunjukkan penurunan kecil. Setelah penganaling, penurunan serapan dikaitkan dengan difusi dopant ke batas butir dan pembentukan klaster defect sulfur, yang mengurangi densitas gelinding impuritas aktif.

a Serapan versus dosis implanasi ion (setelah PLM). b Properti listrik silikon mikrostruktur sebelum dan setelah penganaling.

Kepadatan lapis carrier naik seiring dosis sementara mobilitas turun, konsisten dengan rekombinasi Shockley-Read-Hall: tingkat dopant yang lebih tinggi menyingkat umur carrier, meningkatkan probabilitas rekombinasi. Penganaling mengurangi kepadatan lapis secara dramatis karena difusi termal.

Gambar 3 menyajikan spektral respons foto. Puncak berbeda di dekat 960 nm mencerminkan pembuatan pasangan elektron-lubang dalam substrat Si, diekstrak oleh medan bawaan juncsi n+/p. Dalam band NIR (1100–1600 nm), perangkat 10^14 ion cm–2 melebihi setara dosis yang lebih tinggi, mencapai arus foto tertinggi. Data Hall menunjukkan konsentrasi bulk ~10^19 cm–3 dan mobilitas terbaik pada dosis ini, mengonfirmasi bahwa keseimbangan optimal antara serapan dan transportasi carrier menghasilkan performa perangkat yang superior.

Respons foto detektor n+/p pada berbagai dosis. Inset: tata letak perangkat dengan kontak berigigi pada permukaan mikrostruktur.

Kesimpulan

Studi sistematis kami menunjukkan bahwa hiper-doping sulfur melalui implanasi ion diikuti oleh PLM femtosekon secara signifikan meningkatkan serapan NIR dan performa detektor cahaya silikon. Perangkat yang diimplantasi pada 1 × 10^14 ion cm–2 menunjukkan respons foto tertinggi, mengonfirmasi keseimbangan kritis antara serapan yang diinduksi oleh impuritas dan mobilitas carrier. Pendekatan yang dapat diskalakan dan berbiaya rendah ini membuka jalan untuk dioda fotovoltaik silikon broadband yang cocok untuk aplikasi fotonik terintegrasi dan penuaan energi.