Penyerapan Infra Merah Dekat Tingkat Tinggi melalui Pembuatan Dua Tahap Silikon Hitam Terstruktur dan Aplikasi Perangkatnya

Abstrak

Silikon adalah fondasi industri semikonductor, namun refleksi yang tinggi dan jarak energi yang lebatnya secara inherent membatasi performa dalam deteksi inframerah dekat (NIR). Dalam karya ini, kami menggunakan pendekatan pembuatan dua tahap—etching ion reaktif dalam (DRIE) diikuti oleh implos ion dalam plasma (PIII)—untuk menciptakan silikon hitam (BSi) terstruktur mikro pada silikon kristal (C-Si). Permukaan yang terdoping sulfur menghasilkan jarak energi yang menyempit dan penyerapan yang ditingkatkan secara signifikan, terutama antara 800 dan 2000 nm, dengan maksimum 83 %. Ketika digunakan sebagai permukaan belakang dari fotodioda Si-PIN, lapisan BSi memberikan responsivitas 0,53 A W⁻¹ pada 1060 nm, yang menyoroti potensinya untuk deteksi NIR dengan sensitivitas tinggi.

Latar Belakang

Silikon mikro- dan nanostruktur hitam telah menjadi titik fokus untuk meningkatkan penyerapan cahaya di seluruh spektrum terlihat dan NIR. DRIE, teknik etch-pasivasi siklus yang menggunakan SF₆ untuk etching isotropis dan C₄F₈ untuk pasivasi disiamping, memfasilitasi penciptaan struktur rasio aspek tinggi yang geometrinya diatur oleh dimensi masker, aliran gas, daya elektroda, dan durasi siklus. Implos ion berikutnya mendopsi silikon yang di-etch, memperkenalkan atom sulfur yang menghasilkan status di bawah jarak energi dan memperluas spektrum penyerapan [1–11]. Permukaan yang direkayasa ini telah menemukan aplikasi dalam detektor sensitif, sel surya, sensor biokimia, tampilan, dan komunikasi optik [12–20]. Dalam studi kami sebelumnya, kami menyelidiki detektor Si-PIN dengan BSi permukaan depan, mencatat trade-off antara sensitivitas NIR dan responsivitas cahaya terlihat karena tantangan penangkapan pemagas. Ini memicu penyelidikan saat ini tentang BSi pada permukaan belakang untuk secara bersamaan meningkatkan NIR dan mempertahankan performa terlihat yang dapat diterima.

Artikel saat ini melaporkan peningkatan penyerapan cahaya dan penyempitan jarak energi yang dicapai oleh proses dua tahap DRIE–PIII. Kami menganalisis bagaimana parameter etching yang berbeda mempengaruhi penyerapan dari 400 hingga 2000 nm dan mengevaluasi detektor Si-PIN yang menyeluruhkan BSi permukaan belakang untuk responsivitas di seluruh 400–1100 nm.

Metode

Gambar 1a mengilustrasikan array silinder periodik seragam yang dipilih untuk simulasi optik menggunakan perangkat lunak FDTD. Gambar 1b menunjukkan bagaimana penyerapan bervariasi dengan empat model array silinder yang berbagi diameter (D = 4 µm) tetapi berbeda dalam jarak pusat (T₁ = 12 µm, T₂ = 10 µm, T₃ = 8 µm, T₄ = 6 µm) setelah optimasi.

Model simulasi optik (a) dan hasil simulasi (b) dari silikon terstruktur mikro

Berdasarkan simulasi, tiga masker fotolitografi dirancang: masker I (D = 4 µm, T = 6 µm), masker II (D = 4 µm, T = 8 µm), dan masker III (D = 4 µm, T = 10 µm). Wafer silikon tipe n berukuran 15 × 15 cm² (tebal 500 µm, resistivitas 2500–3000 Ω cm) menerima fotoresist NR9-1500PY dan diatur dengan array lingkaran. Wafer di-etch dalam ruangan DRIE (ICP-100D) menggunakan siklus SF₆ (etch) dan C₄F₈ (pasivasi) selama 30, 70, atau 100 repetisi. Setelah etching, fotoresist yang tersisa dihapus di bawah plasma oksigen untuk menghasilkan permukaan bersih. Untuk meningkatkan penyerapan NIR lebih lanjut, sampel masker III ditampilkan kepada PIII dengan dosis sulfur 1,0 × 10¹⁵ cm⁻² pada 800 eV.

Diagram skematik ukuran masker

Morfologi diperiksa dengan mikroskop SEM JSM-7500F. Penyerapan diukur pada suhu ruangan menggunakan spektrometer fiber optik NIR2500 yang disatukan dengan bola integrasi Idea Optics (IS-20-5). Responsivitas detektor ditentukan dengan meter daya optik OPHIR Vega, chopper optik Scitec Instruments (Model-300CD), dan Keithley 2636B di bawah kondisi gelap. Semua pengukuran dikalibrasi dan diulang pada 4–6 sampel untuk memastikan keandalan.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 3 menampilkan gambar SEM dari array terstruktur mikro yang terselar untuk ketiga ukuran masker. Tampilan atas menyimpang dari lingkaran sempurna akibat interaksi antara etching DRIE dan fidelitas masker. Kedalaman etching meningkat seiring jumlah siklus, mencapai ~1,87 µm (30 siklus), 2,35 µm (70 siklus), dan 3,15 µm (100 siklus). Etching lateral, meskipun ada pasivasi disiamping, menghasilkan tiang yang sedikit menyempit, mengonfirmasi kebutuhan untuk menyempurnakan parameter litografi dan siklus untuk morfologi optimal.

Array silikon terstruktur mikro yang dibuat oleh DRIE untuk berbagai ukuran masker. a Masker I. b Masker II. c Masker III

Tampilan potongan (Gambar 4) mengonfirmasi peningkatan progresif dalam tinggi tiang seiring jumlah siklus. Meskipun lapisan pasivasi DRIE melindungi disiamping, etching lateral tetap ada, mempengaruhi bentuk akhir.

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

Gambar 5a menunjukkan penyerapan dari array terstruktur mikro tanpa PIII. Dibandingkan C-Si polos, array yang di-etch meningkatkan penyerapan di seluruh 400–2000 nm, dengan sampel 100 siklus mencapai hingga 70 % di NIR. Refleksi internal multipel di dalam tiang meningkatkan jalur optik, sehingga meningkatkan penyerapan. Namun, penyerapan di atas 1000 nm masih moderat, memotivasi doping sulfur. Setelah PIII, Gambar 5b mengungkapkan peningkatan penyerapan yang mencolok di seluruh spektrum. Sampel 100 siklus penyerapan puncaknya naik menjadi 83 %, dan penyerapan rata-rata mencapai 62 %. Implos sulfur memperkenalkan pita penampilan yang tumpang tindih, menyempitkan jarak energi efektif dan memungkinkan penyerapan foton di bawah jarak energi [10,11]. Hal ini terlihat dari penurunan jarak energi dari 1,12 eV (C-Si) menjadi 1,045 eV, 1,033 eV, dan 1,025 eV untuk 30, 70, dan 100 siklus, masing-masing (Gambar 7). Analisis menggunakan teori Kubelka–Munk dan plot Tauc untuk mengekstrak nilai-nilai ini. Gambar 6 mengilustrasikan mekanisme refleksi multi dalam array tiang, menjelaskan penyerapan yang ditingkatkan.

Penyerapan C-Si dan silikon hitam yang dibuat oleh berbagai waktu siklus sebelum (a) dan setelah PIII (b) dan perbandingan sampel 100 siklus (c)

Jalur transmisi cahaya insiden pada permukaan silikon terstruktur mikro

Jarak energi C-Si (a) dan silikon hitam yang dibuat oleh berbagai waktu siklus: (b) 30, (c) 70, (d) 100

Integrasi BSi permukaan belakang ke dalam fotodioda Si-PIN (Gambar 8a) melibatkan: (1) oksidasi kedua sisi wafer silikon n tipe monokristal; (2) difusi bor untuk membentuk lapisan P pada depan; (3) penyetoran Si₃N₄ dan pemolesan belakang hingga ~200 µm; (4) doping lapisan N⁺ dan pertumbuhan tiang BSi di atasnya; dan (5) pola kontak logam. Perangkat 2, yang memiliki area sensitif cahaya berdiameter 2 mm, menunjukkan arus gelap yang sebanding dengan fotodioda Si-PIN komersial. Di bawah iluminasi 1060 nm, responsivitasnya mencapai 0,53 A W⁻¹, peningkatan yang signifikan dibandingkan S1336-44BK komersial (perangkat 1). Secara menarik, responsivitas perangkat 2 pada rentang 680–1100 nm melebihi perangkat 1 sekitar 60 nm, mengonfirmasi efektivitas BSi permukaan belakang dalam memperluas sensitivitas NIR.

Citra detektor (a), arus gelap (b), kurva I-V di bawah iluminasi panjang gelombang 1060 nm (c), dan responsivitas dua detektor yang berbeda (d): perangkat 1 dari ref. [22] dan perangkat 2 berdasarkan hasil karya ini. Inset dari d menunjukkan struktur perangkat

Peningkatan yang terbatas dari perangkat 2 dalam responsivitas cahaya terlihat disebabkan oleh fakta bahwa foton di atas jarak energi C-Si diserap dalam lapisan P depan, sehingga BSi permukaan belakang sebagian besar tidak relevan untuk penangkapan pemagas. Sebaliknya, foton NIR menembus lapisan depan, diserap dalam lapisan N, dan pemagas yang dihasilkan secara efisien ditangkap oleh kontak N⁺ di bawah bias sebalik, yang mengarah pada peningkatan responsivitas yang besar.

Sementara studi saat ini menunjukkan jalur yang layak untuk fotodioda yang ditingkatkan NIR, optimasi lebih lanjut parameter DRIE, energi implos ion, dan arsitektur perangkat dapat menghasilkan performa yang lebih tinggi dan aplikasi yang lebih luas.

Kesimpulan

Kami berhasil membuat silikon hitam terstruktur mikro melalui proses dua tahap DRIE–PIII. Tiga geometri tiang (masker I: D = 4 µm, T = 6 µm; masker II: D = 4 µm, T = 8 µm; masker III: D = 4 µm, T = 10 µm) menghasilkan tinggi masing-masing 1,87, 2,35, dan 3,15 µm. Struktur ini mencapai penyerapan puncak 83 % dan rata-rata 62 % di seluruh 400–2000 nm, yang diatribusikan pada panjang jalur optik yang ditingkatkan dan jarak energi yang menyempit dari doping sulfur. Pengintegrasian BSi sebagai permukaan belakang dari fotodioda Si-PIN menghasilkan responsivitas 0,53 A W⁻¹ pada 1060 nm dan 0,31 A W⁻¹ pada 1100 nm, yang secara signifikan melebihi detektor komersial S1336-44BK di NIR. Pendekatan ini menawarkan jalan yang menjanjikan untuk detektor NIR dengan sensitivitas tinggi.