향상된 근적외선 흡수체:2단계로 제작된 구조화된 블랙 실리콘 및 그 장치 애플리케이션

초록

실리콘은 반도체 산업에서 널리 사용되지만 높은 반사율과 밴드 갭 한계로 인해 근적외선 광전자 소자에서 성능이 좋지 않습니다. 이 연구에서는 2단계 공정인 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 방법과 PIII(Plasma immersion Ion Implantation)를 결합하여 C-Si 표면에 미세 구조의 흑색 실리콘을 제조하는 데 사용됩니다. 황 원소로 도핑된 이러한 개선된 표면은 특히 근적외선 범위(800~2000nm)에서 더 좁은 밴드 갭과 광 흡수율 향상을 실현합니다. 한편, 최대 광 흡수율은 최대 83%까지 크게 증가합니다. 후면에 미세 구조의 검은색 실리콘이 있는 Si-PIN 광전자 검출기는 놀라운 장치 성능을 보여 1060nm에서 0.53A/W의 반응성을 나타냅니다. 좁은 밴드 갭 특성을 결합한 이 새로운 미세 구조의 검은색 실리콘은 근적외선 광전자 감지에 잠재적으로 응용될 수 있습니다.

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배경

지금까지 광반사율을 줄이고 근적외선 흡수율을 향상시키기 위해 DRIE 처리 및 이온 주입을 사용하여 많은 마이크로 및 나노 구조의 블랙 실리콘 재료를 제조할 수도 있습니다[1,2,3,4,5]. DRIE 공정은 일반적으로 고종횡비 구조의 실리콘 미세가공을 가능하게 하는 포토레지스트 마스크를 사용하여 주기적 에칭-패시베이션 단계 모드에서 수행됩니다. 일반적으로 이 접근 방식은 SF₆와 같은 F 기반 플라즈마를 사용합니다. 빠른 등방성 에칭을 위해 C₄를 사용하여 측벽 패시베이션 사이클로 전환 F₈ [6,7,8]. 후속 에칭 사이클 동안 보호막은 이온 충격으로 인해 홈 바닥에서 우선적으로 제거되는 동시에 측벽의 에칭을 방지합니다[9]. 마지막으로, 에칭 및 패시베이션 사이클을 교대로 하면 에칭된 실리콘 구조의 특정 기하학적 구조를 형성할 수 있으며, 이는 주로 마스크 크기, 가스 흐름, 전극 전력, 프로세스 시간, 사이클 시간 등에 의존합니다. 근적외선 파장에서 실리콘의 흡수를 향상시키기 위해 에칭된 실리콘 구조는 DRIE 공정 후 이온 주입에 의해 도핑됩니다. 특정 조건에서 검은색 실리콘 어레이를 얻을 수 있으며 결과적으로 실리콘 격자 내에 포함된 황 도펀트는 밴드 갭 아래 복사의 상당한 흡수를 초래합니다[10, 11].

반도체 산업에서 가장 중요한 재료 중 하나인 블랙 실리콘은 민감한 광전자 검출기, 태양 전지, 생화학 센서, 디스플레이 장치 및 광통신 물체에 널리 사용되었습니다[12,13,14,15,16,17,18, 19,20]. 블랙 실리콘의 마이크로 및 나노 구조는 광범위한 장치 응용으로 인해 최근 몇 년 동안 집중적인 연구의 초점이었습니다. 전면에 검은색 실리콘이 있는 Si-PIN 광전자 검출기는 초기 연구에서 조사되었습니다[21]. 이 소자 구조는 넓은 공핍층을 가지므로 캐리어 확산 이동의 영향을 줄이고 소자 감도 및 응답 속도를 향상시키는 목적을 달성할 수 있습니다. 또한 흑색 실리콘을 감광성 표면으로 사용하는 것은 생성된 캐리어가 전극을 통해 광전류를 출력하기 위해 P 층에 의해 수집되는 것이 매우 어렵기 때문에 기존의 Si-PIN 검출기에 비해 가시광 응답이 상대적으로 낮음을 알 수 있습니다. 따라서 후면에 검은색 실리콘이 있는 Si-PIN 광전자 검출기가 한 번에 두 가지 작업, 즉 근적외선뿐만 아니라 가시광선 파장에서도 장치 감도를 높일 수 있다면?

이 기사에서 우리는 PIII와 결합된 DRIE의 2단계 공정으로 제조된 미세 구조화된 블랙 실리콘의 광 흡수 향상 및 좁은 밴드 갭 특성을 보고합니다. 400~2000nm 파장 범위의 광 흡수율에 대한 다양한 에칭 공정의 영향이 연구되었으며 후면의 이 미세 구조화된 블랙 실리콘을 기반으로 하는 검출기도 400~1100nm.

방법

그림 1a에서 볼 수 있듯이 FDTD 시뮬레이션 소프트웨어에 의해 미세 구조 실리콘의 광학 특성을 연구하기 위해 균일하고 주기적으로 분포하는 원통형 어레이가 선택되었습니다. 그림 1b는 최적화된 시뮬레이션 후 흡광도와 미세구조 실리콘의 4가지 모델 크기 사이의 관계를 나타냅니다. 여기서 4개의 모델은 동일한 실린더 직경(D =4 μm)이지만 중심 거리가 다릅니다(T). ₁ =12μm, T ₂ =10μm, T ₃ =8 μm, T ₄ =6μm).

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광학 시뮬레이션 모델(a ) 및 시뮬레이션 결과(b ) 미세구조 실리콘

위의 최적화된 시뮬레이션 결과를 바탕으로 그림 2와 같이 마스크 I(D =4μm, T =6 μm), 마스크 II(D =4μm, T =8 μm) 및 마스크 III(D =4μm, T =10μm), 각각. 그런 다음 포토레지스트 NR9-1500PY를 적용하여 실리콘 조각(15 × 15 cm² 연마 표면에 원형 어레이 마스크를 증착했습니다. ), 두께가 500μm이고 저항이 2500~3000Ω·cm인 n형 실리콘 웨이퍼에서 절단했습니다. 미세 구조 실리콘의 광 흡수율에 대한 에칭 프로세스의 영향을 조사하기 위해 마스크 III에서 얻은 테스트 샘플을 프로세스 캐비티(DRIE, ICP-100D)로 이동하고 SF_{6 에칭 가스로 사용되었으며 C₄ F₈ 부동태화 가스로 30배, 70배, 100배 다르게. 에칭 공정 후, 실리콘 표면이 깨끗하고 매끄러움을 보장하기 위해 산소 분위기에서 잔류 포토레지스트의 실리콘 조각을 제거했습니다. 특히 근적외선 대역에서 미세구조 실리콘의 흡수율을 향상시키기 위해, 이후 마스크 III에서 생성된 테스트 샘플은 1.0E + 15 cm^{- 2} 각각 주입량 및 800eV 주입 에너지입니다.}

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마스크 크기의 개략도

블랙실리콘의 형태는 전계방출 주사전자현미경(SEM, JSM-7500F)으로 특성화하였다. 적분구(Idea Optics, IS-20-5)가 장착된 광섬유 분광계(NIR2500)를 사용하여 실온에서 흡광도를 얻었다. 검출기 반응성은 암실 환경에서 광파워미터(OPHIR, Vega), 광초퍼(Scitec Instruments, Model-300CD) 및 Keithley2636B 장치를 사용하여 측정하였다. 측정의 정확성을 보장하기 위해 테스트 전에 보정을 수행했으며 이러한 각 측정은 몇 개의 샘플(보통 4~6개)에 대해 수행되었습니다.

결과 및 토론

그림 3은 세 가지 다른 마스크 크기에 대해 기판 표면에 수직인 정렬된 미세구조 실리콘 어레이의 일반적인 SEM 이미지를 보여줍니다. DRIE 공정이 주로 마스크 크기와 포토리소그래피 기술의 품질에 의존한다는 사실 때문에 미세 구조화된 실리콘의 평면도가 실제로 표준 원이 아님을 분명히 알 수 있습니다. 그런 다음 에칭 공정이 미세 구조 실리콘의 광 흡수율에 미치는 영향을 조사하기 위해 SF_{6 3초 동안, C₄로 부동태화 F₈ 매 주기마다 2초 동안}

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다양한 마스크 크기에 대해 DRIE에서 만든 일반적인 미세 구조 실리콘 어레이. 아 마스크 I. b 마스크 Ⅱ. ㄷ 마스크 III

포토레지스트와 실리콘 사이의 다른 식각 비율에 따라, 포토레지스트가 마스크만큼 두껍기만 하면 식각 깊이는 공정 매개변수에 의해 제어될 수 있습니다. 그림 4에서 실린더의 높이는 사이클 횟수에 따라 증가함을 알 수 있으며, 상단에서 기판까지의 높이는 각각 약 1.87μm, 2.35μm, 3.15μm입니다. DRIE 공정에서 에칭 대상의 측벽을 보호하기 위한 부동태화 가스가 있지만 여전히 측면 에칭이 수반된다는 것은 잘 알려져 있습니다. 이것이 결과 형태가 이상적인 원통형 배열이 아닌 이유입니다. 분명히, 이러한 미세 구조화된 실리콘 어레이의 형태는 리소그래피 프로세스와 에칭 사이클 시간을 변경하여 잘 제어할 수 있습니다.

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다양한 사이클 시간에 대해 제작된 마스크 III 샘플의 단면도. (아 ) 30, (b ) 70 및 (c ) 100

그림 5a는 PIII 공정 없이 다양한 사이클 시간에서 미세 구조화된 원통형 어레이의 광 흡수율을 나타냅니다. 식각된 실리콘 어레이가 있는 C-Si는 일반 C-Si와 비교하여 400~2000nm의 파장 범위에 걸쳐 광 흡수율을 어느 정도 향상시킬 수 있는 것으로 나타났습니다. 100 사이클 시간 동안 에칭된 샘플은 NIR 범위(800~2000nm)에서 최대 70%의 가장 높은 흡수율을 나타내며 이 샘플의 평균 흡수율은 400~2000nm의 파장 범위에서 55%에 이릅니다. 이는 미세구조 실리콘의 다중 반사 및 흡수 때문입니다(그림 6 참조). 입사광이 실린더 측면에서 연속적으로 반사되는 과정에서 입사광의 흡수 경로 길이가 길어져 흡수율이 향상됩니다. 그럼에도 불구하고 파장이 1000nm 이상일 때 흡수율은 여전히 충분히 높지 않습니다. 따라서, 특히 근적외선 대역에서 미세구조 실리콘의 흡수율을 더욱 향상시키기 위해 동일한 샘플에 1.0E + 15 cm^{− 2} 조건에서 PIII 공정으로 황 원소를 도핑합니다. 각각 주입량 및 800eV 주입 에너지입니다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 이온 주입 후 400~2000nm 파장 범위에서 광흡수율이 분명히 증가한다. 여기에서 100 사이클 시간 동안 에칭된 샘플의 광 흡수율은 C-Si보다 훨씬 높습니다. 최대 및 평균 광 흡수율은 각각 83% 및 62%까지 크게 증가합니다. 또한, 100 사이클 샘플의 흡광도가 최대 및 평균 값이 13% 증가하는 황 원소 도핑 전후의 파장에서 800에서 2000 nm로 상당한 변화가 있음을 쉽게 관찰할 수 있습니다(그림 5c에서와 같이). 및 각각 7%입니다.

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이전(a ) 및 PIII(b ) 및 100개의 주기 샘플 비교(c) )

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미세구조 실리콘 표면의 입사광 전달 경로

이 높은 흡수율은 주로 C-Si의 에너지 밴드 구조에서 다중 불순물 수준을 형성하는 미세 구조의 원통형 어레이 사이의 황 도핑에서 비롯됩니다. 결과적으로, 이러한 유도된 다중 불순물 레벨이 중첩될 때, 넓어진 후 새로운 불순물 밴드가 형성되어 최종적으로 C-Si의 밴드 갭을 감소시킨다. 밴드 갭은 Tauc 매핑을 통해 샘플의 흡수 스펙트럼에서 얻을 수 있습니다. 채택된 구체적인 단계는 다음과 같습니다.

(i) 반사 스펙트럼은 K-M 함수 F로 변환됩니다. (R _∞ ) Kubelka-Munk 이론을 사용하여:

$$ F\left(R\infty \right)\approx \frac{A^2}{2R} $$ (1)

여기서 R 그리고 A 각각 샘플의 반사 스펙트럼과 흡수 스펙트럼입니다.

(ii) K-M 기능 F (R _∞ )는 다음과 같이 Tauc 공식으로 대체됩니다.

$$ {\left( hv\alpha \right)}^{1/n}=K\left( hv- 예\right) $$ (2) $$ hv=\frac{1239.7}{\lambda } $$ (삼)

여기서 인덱스 n의 값은 샘플의 전환 유형과 관련이 있습니다. 직접 전환, n =1/2; 간접 전환, n =2. F (R _∞ )는 F로 대체될 수 있는 흡수 계수 α에 비례합니다. (R _∞ ) 및 n =2는 식 (2)에 대입되어 다음을 얻습니다.

$$ {\left( hv F\left(R\infty \right)\right)}^{1/2}=K\left( hv- Eg\right) $$ (4)

(iii) 샘플의 반사 및 흡수 스펙트럼 데이터는 Eq.에 대입됩니다. (1) 및 식. (1)은 식으로 대입된다. (4), hv 가로 좌표(X 축) 및 (hvF(R _∞ ))^1/2 세로좌표(Y 축).

(iv) 변곡점(1차 도함수의 최대점)은 hv의 1차 미분값을 계산하여 구합니다. -(hvF(R _∞ ))^1/2 곡선이고 이 지점에서 곡선의 접선이 만들어집니다. 접선과 X 교차점의 가로 좌표 값 축은 샘플의 밴드 갭입니다.

그림 7은 사이클 시간이 다른 C-Si와 블랙 실리콘의 최종 계산된 밴드 갭을 보여줍니다. 1.045eV, 1.033eV, 1.025eV인 블랙 실리콘의 3개의 낮은 밴드 갭이 C-Si의 1.12eV 밴드 갭에 비해 분명히 감소했음을 쉽게 알 수 있습니다.

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C-Si의 밴드 갭(a ) 및 다른 주기 시간에 의해 만들어진 검은색 실리콘:(b ) 30, (c ) 70, (d ) 100

광학적 특성이 강화된 상기 블랙실리콘을 기반으로 후면에 블랙실리콘이 형성된 Si-PIN 검출기를 제작하였다. 먼저 순수한 진성 단결정 실리콘 웨이퍼(n형)가 양면에서 산화되어 SiO₂를 형성합니다. 레이어. 둘째, SiO₂를 식각하여 조기에 형성된 감광영역에 붕소확산에 의해 P층을 제조한다. 포토리소그래피 공정을 통해 웨이퍼 전면에 층을 형성합니다. 셋째, Si₃ 층 N₄ P층에 투과막을 증착한 후 웨이퍼 후면을 연마하여 약 200μm 두께로 연마합니다. 넷째, P-도핑된 N⁺ 연마된 표면에 층을 증착한 다음 N⁺ 상단에 미세 구조의 검은색 실리콘을 형성합니다. 층. 마지막으로 포토리소그래피 공정으로 전극 창을 식각하고 웨이퍼의 양면에 금속 전극을 증착합니다. 그림 8은 실제 기기 이미지(a), 암전류(b), 1060nm 파장 조명에서의 I-V 곡선(c), 서로 다른 두 검출기의 응답도 비교(d)를 보여줍니다. 이에 따라 장치 1(S1336-44BK, 상용 Si-PIN 검출기)의 반응성이 Hamamatsu Photonics Company의 공개 웹사이트[22]를 기반으로 re-plot됨을 선언하며, 장치 2의 응답도는 당사 신규 후면에 흑색 실리콘이 형성된 Si-PIN 검출기를 제작했으며, 감광성 표면은 직경 2mm의 원형이었습니다. 장치 2는 특히 근적외선 파장, 즉 1060nm에서 각각 0.53A/W 및 1100nm에서 0.31A/W로 응답도가 상당히 증가했음을 분명히 알 수 있습니다.

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감지기 이미지(a ), 암전류(b ), 1060nm 파장 조명에서 I–V 곡선(c ), 두 개의 서로 다른 감지기(d ):ref의 장치 1 [22] 및 본 논문의 결과를 기반으로 한 장치 2. d 삽입 장치 구조를 보여줍니다.

그림 8b에서 후면에 검은색 실리콘이 형성된 Si-PIN 검출기(디바이스 2)는 가시광선 스펙트럼에서 상대적으로 개선된 응답성을 나타내지 않지만 파장에서 응답 스펙트럼이 훨씬 더 높은 응답성을 제공함을 알 수 있습니다. 상용 Si-PIN 검출기(장치 1)와 비교하여 피크 반응성의 약 60nm 적색 편이로 680~1100nm 범위입니다. 이러한 구분의 주된 이유는 이 두 감지기(장치 1 및 2)의 장치 구조가 다르기 때문입니다. 광자 에너지가 C-Si의 밴드 갭보다 크면 입사광은 주로 P층에 흡수되므로 생성된 캐리어는 N층을 통과하기에 충분한 에너지를 갖게 됩니다. 생성된 캐리어의 대부분은 N⁺ 로 수집할 수 있습니다. 전극을 통해 광전류를 출력하는 층. 이 조건에서 검출기의 후면이 검은색 실리콘의 유무에 관계없이 가시 파장에서 장치 응답에 미치는 영향은 제한적입니다. 전면에 검은색 실리콘이 있는 검출기[21]와 달리 장치 2는 가시광선 파장에서 더 나은 응답을 보여줍니다. 그렇기 때문에 측정된 반응성 곡선에 따른 가시광선 응답의 개선이 상대적으로 미미합니다. 다시 장치 2에서 검은색 실리콘 층이 후면에 설정되기 때문에 광자 에너지가 C-Si의 밴드 갭보다 작더라도 근적외선은 P 층을 투과할 수 있고 N 층에 흡수될 수 있습니다. 그러면 생성된 많은 캐리어가 N⁺ 에 의해 수집될 수 있습니다. 역 바이어스 작용의 레이어. 결과적으로 셀 수 있는 광전류 출력이 발생하고 장치는 근적외선 파장에서 상당한 반응성 증가를 나타냅니다.

이상의 결과에 따라 본 연구는 근적외선 광전자 검출 분야에서 실현 가능한 전략을 제시할 수 있지만, 아직 고려해야 할 측면이 많다. 예를 들어, 구조화된 실리콘의 형태와 밴드 갭을 정밀하게 제어할 수 있는 미세 구조화된 블랙 실리콘의 더 나은 제조 공정과 이온 주입 기술이 탐구되어야 합니다. 또한, 더 나은 장치 성능을 실현하기 위해 블랙 실리콘 기반 광전자 검출기의 다른 새로운 장치 구조를 설계해야 합니다.

결론

요약하면, 미세 구조의 흑색 실리콘 재료는 플라즈마 침지 이온 주입과 결합된 깊은 반응성 이온 에칭의 2단계 공정으로 제조됩니다. 실리콘 웨이퍼 표면의 미세 구조화된 원통형 어레이는 세 가지 크기가 있습니다. 마스크 I(D =4μm, T =6μm), 마스크 II(D =4 μm, T =8 μm) 및 마스크 III(D =4 μm, T =10μm), 높이는 각각 1.87μm, 2.35μm, 3.15μm입니다. 400~2000nm의 넓은 파장 범위에서 블랙 실리콘의 광 흡수율이 분명히 향상되었으며 최대 및 평균 광 흡수율은 각각 83% 및 62%에 이릅니다. 이러한 향상은 다중 반사, 증가된 흡수 경로 길이 및 좁은 밴드 갭을 기반으로 광범위하게 논의됩니다. 후면에 검은색 실리콘이 형성된 새로운 Si-PIN 광전자 검출기가 제작되었으며 S1336-44BK라는 하나의 상용 장치로 장치 응답성을 비교했습니다. 후면에 검은색 실리콘이 형성된 Si-PIN 광전자 검출기는 특히 근적외선 파장에서 1060nm에서 0.53A/W, 1100nm에서 0.31A/W로 응답성이 크게 증가했다고 결론지었습니다. , 각각.

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