펨토초 레이저 유도 황 과도핑된 실리콘 N+/P 광다이오드의 광학 및 전자 특성

결과 및 토론

그림 1은 다양한 용량으로 주입된 실리콘 샘플의 흡수율을 보여줍니다. PLM으로 처리된 샘플은 가시광선 및 NIR 파장에서 가장 높은 흡수율을 보였고 이식된 샘플은 가장 낮은 흡수율을 보였습니다. 그러나 어닐링 프로세스는 스펙트럼의 NIR 영역에서 흡수를 감소시킵니다. 미세 구조 실리콘의 높은 Vis-NIR 흡수율은 하이퍼 도핑으로 인한 불순물 밴드 및 미세 구조 표면 생성 광 트래핑 효과와 같은 이유에 기인합니다. 그림 1d와 같이 도펀트에 의해 유도된 불순물 밴드가 실리콘에 형성되어 서브 밴드갭 흡수를 담당한다[17]. 결과적으로, 과도핑된 실리콘은 NIR 범위에서 높은 흡수율을 나타냅니다. 한편, 레이저 용융은 그림 1e, f에 표시된 것처럼 실리콘 표면을 재구성하고 다중 반사 및 흡수로 이어지는 원뿔 배열을 생성합니다[13]. 처리된 어닐링은 NIR 파장 범위에서 흡수율을 분명히 감소시키며, 이는 주로 다음 두 가지 측면으로 인해 발생합니다. (2) 실리콘 매트릭스 내에서 결합 재배열을 일으켜 황 불순물을 광학적으로 비활성화시킵니다[11].

아 –ㄷ 다양한 주입량으로 다양한 제조 공정에 따른 흡수율의 의존성. d Si의 밴드갭 내에 위치한 불순물 밴드는 저에너지 광자의 흡수에 참여하는 캐리어 생성을 용이하게 합니다. 이 실리콘 스파이크의 주사 전자 현미경 사진. 에 미세구조 표면의 광학 경로 그림

동일한 레이저 매개변수에 의해 생성된 유사한 표면 구조 때문에 NIR 범위의 흡수 강도는 주로 도펀트의 불순물 수준에 따라 달라집니다[19]. 과거에 우리는 광응답 스펙트럼 특성에 해당하는 가능한 S 관련 에너지 준위를 설명했습니다[20]. S-관련 에너지 준위(~ 614meV)에 따라 NIR 영역에서 관찰된 큰 향상이 나타났으며, 이는 서브밴드갭 흡수를 크게 향상시켰습니다. 어닐링 전의 흡수는 그림 2a와 같이 도핑 도즈에 대한 극적인 변화가 없습니다. 10 ¹⁶ 의 미세구조 실리콘 및 10 ¹⁵ 이온/cm ² 주입량은 유사한 흡광도를 나타내며 주입된 샘플은 10 ¹⁴ 이온/cm ² 눈에 띄지 않는 감소를 보여줍니다. 우리는 NIR 범위에서 어닐링된 샘플에 대한 더 낮은 흡수율이 두 가지 측면에 기인할 수 있다고 생각합니다. M. A. Sheehy et al. [21]은 어닐링 공정 후 밴드갭 이하의 흡수 감소가 과포화 도펀트 및 결함의 결정립계로의 결정립의 확산에 기인한다고 제안했다. 이러한 결함에는 공석, 댕글링 본드 및 플로팅 본드가 포함됩니다. 결함이 결정립계로 확산되면 더 이상 Si의 불순물 밴드에 기여하지 않으므로 밴드갭 미만 복사의 흡수가 감소합니다. 더욱이 문헌[22]은 어닐링 온도가 650°C에 도달할 때까지 S의 현저한 재분배가 발생하지 않았다고 보고했습니다. 이 과정에서 S는 결함 클러스터와 복합적으로 나타나며, 이는 S 원자가 Si 웨이퍼 표면에서 서로 결합한다는 것을 의미합니다. 이 현상은 활성 도핑 농도의 감소로 이어집니다.

아 다양한 이온 주입량에 따른 흡수율 의존성. 모든 샘플은 PLM에 의해 미세 구조화되었습니다. ㄴ 어닐링 전과 어닐링 후 이온 주입량에 따른 기준 실리콘과 미세구조 실리콘의 전자적 특성

다양한 이온 주입량을 가진 미세구조 실리콘의 캐리어 밀도와 이동도는 그림 2b에 나와 있습니다. 시트 밀도는 이온 주입량에 따라 증가하고 이동성은 이온 주입량 증가에 따라 감소하는 것이 분명합니다. SRH(Shockley-Read-Hall) 재결합 효과에 따르면 Si, Ge와 같은 간접 밴드갭 반도체에서는 도펀트 농도가 증가함에 따라 캐리어 수명이 감소한다[23, 24]. 이동도의 감소는 재결합 확률의 증가로 이어지므로 이동도의 감소는 전자 수명의 감소를 초래하고 도핑 도즈의 증가에 따른 이동도의 감소는 SRH 재결합 효과와 일치한다. 어닐링 후 시트 캐리어 밀도는 이전에 논의한 바와 같이 열확산 효과로 인해 급격히 감소합니다.

그림 3은 다양한 도핑 선량에 따른 광반응을 보여주고 삽입된 그림은 n+/p 광검출기의 다이어그램을 보여줍니다. NIR 범위에서의 광반응은 불순물 매개 밴드의 출현을 나타냅니다. 약 960nm의 두드러진 피크는 n ⁺ 의 내장 전위에 의해 분리되는 실리콘 기판의 전자-정공 쌍 생성에 해당합니다. /p 접합 및 상단 및 하단 Al 접점에서 수집됩니다. 이 현상은 Si 소자의 이종접합 이론으로 잘 알려져 있습니다[25].

다른 이온 주입량을 가진 n+/p 검출기의 광반응. 삽입은 장치의 평면도와 단면도를 보여줍니다. 밝은 회색은 미세 구조 표면의 맞물린 접촉 패턴과 뒷면의 모든 스탠딩 접촉 패턴을 보여줍니다.

NIR에서 관찰된 광반응은 과도핑된 실리콘의 황 불순물 수준에 기인합니다. 이러한 불순물 수준은 위에서 언급한 바와 같이 밴드갭 이하의 흡수를 촉진합니다. 흡수된 NIR 빛은 전자-정공 쌍으로 변환되어 NIR 범위(1100~1600nm)에서 광응답이 향상됩니다[20]. 이식 용량이 10 ¹⁴ 인 기기 이온/cm ² 1010~1100nm의 파장 범위에서 가장 높은 광응답을 보여줍니다. 넓은 피크는 펨토초 레이저 처리된 실리콘에서 깊은 황 수준을 소유하는 것으로 조사되었습니다[20, 26]. 또한 10 ¹⁴ 이온/cm ² 10 ¹⁵ 보다 더 높은 광반응을 보였습니다. 및 10 ¹⁶ 이온/cm ² . 그리고 홀 측정은 샘플이 10 ¹⁴ 에 이식되었음을 나타냅니다. 이온/cm ² 대량 농도는 10 ¹⁹ 이었습니다. 이온/cm ³ . SRH 재결합 효과에 의해 입증된 바와 같이 캐리어 수명은 실리콘의 도펀트 농도에 따라 달라집니다. E. Mazur는 샘플이 10 ¹⁹ 이온/cm ³ 도펀트 농도는 10 ²⁰ 보다 더 긴 캐리어 수명을 나타낼 것으로 예상되었습니다. 및 10 ²¹ 이온/cm ³ [23]. 홀 측정 결과, 샘플을 10 ¹⁴ 에 이식했습니다. 이온/cm ² 가장 높은 이동성을 보이며 결론에 동의합니다. 이 이론에 따르면 도핑 도핑이 높은 샘플이 더 큰 흡수율을 나타내지만 광 흡수와 캐리어 이동도 사이에는 여전히 균형이 있습니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 10 ¹⁴ 이온/cm ² Ref.에 보고된 결론과 일치하는 가장 높은 광반응을 보일 가능성이 가장 높습니다. [23].