펨토초 레이저 유도 펄스 용융으로 제조한 황 초도핑 실리콘 포토다이오드의 향상된 근적외선 성능

요약

차세대 태양전지와 포토디텍터를 위해 실리콘에서 불순물 매개 근적외선(NIR) 광응답 달성이 핵심 목표입니다. 본 연구에서는 황 이온 주입과 펨토초 펄스 레이저 용융(PLM)을 결합해 일련의 n⁺/p 포토다이오드를 제작했습니다. 결과적 초도핑 실리콘 소자는 NIR 흡광도와 광전류에서 현저한 증가를 보였습니다. 1×10¹⁴ ions cm⁻²로 주입된 소자가 최고 성능을 보여, 적절한 도펀트 선량이 PLM과 결합하면 저비용 광대역 실리콘 포토디텍터를 구현할 수 있음을 입증했습니다.

배경

기존 실리콘은 1.12 eV 밴드갭으로 고유 NIR 감도가 제한됩니다. 표면 텍스처링부터 서브밴드갭 도핑까지 다양한 전략이 이 장벽 극복을 위해 탐구되었습니다. SF₆ 분위기에서 레이저 조사로 달성된 칼코겐 초포화 실리콘의 돌파구는 실리콘이 평형 용해도 이상으로 도핑될 수 있음을 보여주며, 밴드갭 이하 흡수하는 불순물 밴드를 생성합니다. 레이저 용융 중 형성된 원뿔형 미세구조가 빛 가둠을 추가로 향상시켜 흡수 효율을 높입니다. 이 개념들을 바탕으로 이온 주입 후 펨토초 PLM으로 황 초도핑 실리콘을 설계하고 n⁺/p 접합 포토디텍터의 전기적, 광학적 응답을 평가했습니다.

실험 방법

단면 연마된 p형 (100) 실리콘 웨이퍼(300 µm 두께, 8-12 Ω·cm 저항율)에 1.2 keV ³²S⁺ 이온을 ~40 nm 깊이로 주입했습니다. 주입 선량 1×10¹⁴, 1×10¹⁵, 1×10¹⁶ ions cm⁻² 사용. PLM은 1 kHz 반복률, 100 fs, 800 nm 펄스를 0.5 J cm⁻² 플루엔스로 사용; 200 µm 레이저 스팟을 스캔해 10 mm × 10 mm 정방형 패턴 형성. 600°C에서 30분 N₂ 분위기 급속 열 어닐링으로 공정 완료.

흡광도(A)는 UV-Vis-NIR 분광광도계(시마즈 UV3600)와 적분구로 측정한 반사율(R)과 투과율(T)에서 유도(A = 1 - R - T). 캐리어 농도와 이동도는 상온 홀 효과(반데르파우 법)로 얻었습니다. 불순물 매개 서브밴드갭 흡수 탐지를 위해 초퍼드 FTIR 글로바 소스와 록인 검출로 푸리에 변환 광전류 분광법을 수행했습니다.

결과 및 논의

그림 1은 PLM이 주입된 시료 대비 가시광과 NIR 영역에서 흡광도를 극적으로 높임을 보여줍니다. 그러나 어닐링은 두 주요 메커니즘으로 NIR 흡수를 감소시킵니다: (1) 원뿔형 나노구조 침식이 빛 가둠 감소, (2) 황 원자가 결합 재배열로 광학적으로 비활성화. 따라서 미세구조 표면이 향상된 NIR 응답에 핵심적 역할을 합니다.

a-c 제조 공정과 주입 선량별 흡광도. d Si 밴드갭 내 불순물 밴드로 서브밴드갭 흡수 가능. e 실리콘 스파이크 SEM 이미지. f 미세구조 표면 광학 경로.

표면 토폴로지가 시료 간 동일하므로 NIR 흡광도는 주로 황 농도에 의존합니다. 기존 연구에서 ~614 meV 황 관련 준위가 확인되어 두드러진 NIR 흡수의 기반이 됩니다. 어닐링 전 흡광도는 선량에 상대적으로 둔감: 10¹⁶과 10¹⁵ ions cm⁻²가 유사 값, 10¹⁴ ions cm⁻²가 약간 감소. 어닐링 후 흡광도 하락은 도펀트 입계 확산과 황-결함 클러스터 형성으로 활성 불순물 밴드 밀도 감소 때문입니다.

a 이온 주입 선량별 흡광도(PLM 처리). b 어닐링 전후 미세구조 실리콘 전기적 특성.

캐리어 시트 밀도는 선량에 따라 증가하나 이동도는 감소, 쇼클리-리드-홀 재결합과 일치: 높은 도펀트 레벨은 캐리어 수명 단축, 재결합 확률 증가. 어닐링으로 열 확산에 의해 시트 밀도가 급격히 감소.

그림 3은 광응답 스펙트럼을 보여줍니다. ~960 nm 근처 뚜렷한 피크는 Si 기판 내 전자-정공 쌍 생성과 n⁺/p 접합 내장 전장에 의한 추출 반영. NIR 대역(1100-1600 nm)에서 10¹⁴ ions cm⁻² 소자가 더 높은 선량 대응물들을 능가해 최고 광전류 달성. 홀 데이터는 이 선량에서 ~10¹⁹ cm⁻³ 벌크 농도와 최적 이동도 보여, 흡수와 캐리어 수송 간 최적 트레이드오프가 우수한 소자 성능을 산출함 확인.

다양한 선량 n⁺/p 디텍터 광응답. 인셋: 미세구조 표면 인터디지티드 컨택트 소자 레이아웃.

결론

체계적 연구로 이온 주입 후 펨토초 PLM을 통한 황 초도핑이 실리콘 NIR 흡광도와 포토디텍터 성능을 현저히 향상시킴을 입증했습니다. 1×10¹⁴ ions cm⁻² 주입 소자가 최고 광응답 보이며, 불순물 유도 흡수와 캐리어 이동도 간 결정적 균형 확인. 이 확장 가능하고 저비용 접근법은 집적 포토닉스와 에너지 수확 응용에 적합한 광대역 실리콘 포토다이오드 길을 엽니다.