구조화된 블랙 실리콘의 2단계 제조를 통한 근적외선 흡수 향상 및 소자 응용

요약

실리콘은 반도체 산업의 기반이지만, 본질적인 높은 반사율과 넓은 밴드갭이 근적외선(NIR) 광검출 성능을 제한합니다. 본 연구에서는 심층 반응성 이온 에칭(DRIE) 후 플라즈마 침투 이온 주입(PIII)의 2단계 공정으로 결정질 실리콘(C-Si) 위에 미세구조 블랙 실리콘(BSi)을 제작했습니다. 황 도핑 표면은 밴드갭을 좁히고 흡수율을 현저히 향상시켰으며, 특히 800-2000 nm 구간에서 최대 83%에 달했습니다. Si-PIN 포토다이오드의 후면으로 BSi 층을 적용했을 때 1060 nm에서 0.53 A W⁻¹의 응답도를 보여 고감도 NIR 검출 잠재력을 입증했습니다.

배경

미세 및 나노구조 블랙 실리콘은 가시광 및 NIR 영역에서 흡수 향상을 위한 핵심 연구 대상입니다. DRIE는 SF₆로 등방성 에칭, C₄F₈로 측벽 패시베이션을 번갈아 수행하는 주기적 에칭-패시베이션 기술로, 마스크 치수, 가스 유량, 전극 전력, 사이클 지속시간에 따라 고종횡비 구조 형상이 결정됩니다. 후속 이온 주입으로 황 원자를 도핑하여 서브밴드갭 상태를 생성하고 흡수 스펙트럼을 확장합니다[1-11]. 이러한 엔지니어링 표면은 고감도 광검출기, 태양전지, 생화학 센서, 디스플레이, 광통신에 응용됩니다[12-20]. 이전 연구에서 전면 BSi를 가진 Si-PIN 검출기를 조사했으나, 캐리어 수집 문제로 NIR 감도와 가시광 응답도 간 트레이드오프가 발생했습니다. 이에 후면 BSi 구조로 NIR을 향상시키면서 가시광 성능을 유지하는 방안을 탐구했습니다.

본 논문은 DRIE-PIII 2단계 공정으로 달성한 흡수율 향상과 밴드갭 좁힘을 보고합니다. 다양한 에칭 파라미터가 400-2000 nm 흡수율에 미치는 영향을 분석하고, 후면 BSi를 적용한 Si-PIN 검출기의 400-1100 nm 응답도를 평가합니다.

방법

그림 1a는 FDTD 소프트웨어로 광학 시뮬레이션에 사용된 균일한 주기적 원통형 배열 모델입니다. 그림 1b는 직경(D = 4 µm)이 같고 중심 간격(T₁ = 12 µm, T₂ = 10 µm, T₃ = 8 µm, T₄ = 6 µm)이 다른 네 가지 원통 배열 모델의 최적화 후 흡수율 변화를 보여줍니다.

시뮬레이션 결과를 바탕으로 세 가지 포토리소그래피 마스크를 설계했습니다: 마스크 I(D = 4 µm, T = 6 µm), 마스크 II(D = 4 µm, T = 8 µm), 마스크 III(D = 4 µm, T = 10 µm). 15 × 15 cm² n형 실리콘 웨이퍼(두께 500 µm, 저항률 2500-3000 Ω cm)에 NR9-1500PY 포토레지스트를 도포하고 원형 배열로 패터닝했습니다. 웨이퍼를 DRIE 챔버(ICP-100D)에서 SF₆(에칭)와 C₄F₈(패시베이션) 사이클로 30, 70, 100회 반복 에칭했습니다. 에칭 후 산소 플라즈마로 잔여 포토레지스트를 제거하여 깨끗한 표면을 얻었습니다. NIR 흡수율을 더욱 높이기 위해 마스크 III 시료에 황 도즈 1.0 × 10¹⁵ cm⁻², 800 eV로 PIII를 수행했습니다.

형태는 JSM-7500F 전계 방출 SEM으로 관찰했습니다. 흡수율은 실온에서 NIR2500 파이버 옵틱 분광계와 Idea Optics 적분구(IS-20-5)로 측정했습니다. 검출기 응답도는 OPHIR Vega 광파워 미터, Scitec Instruments 광초퍼(Model-300CD), Keithley 2636B로 암실 조건에서 측정했습니다. 모든 측정은 교정 후 4-6개 시료로 반복하여 신뢰성을 확보했습니다.

결과 및 논의

그림 3은 세 가지 마스크 크기로 제작된 정렬된 미세구조 배열의 SEM 이미지입니다. 평면도는 DRIE 에칭과 마스크 충실도 간의 상호작용으로 완벽한 원에서 벗어납니다. 에칭 깊이는 사이클 수에 따라 증가하여 ~1.87 µm(30 사이클), 2.35 µm(70 사이클), 3.15 µm(100 사이클)에 도달했습니다. 측벽 패시베이션에도 불구하고 측면 에칭이 남아 약간 테이퍼진 필라를 형성하며, 최적 형상을 위해 리소그래피와 사이클 파라미터 미세 조정이 필요함을 시사합니다.

단면도(그림 4)는 사이클 수에 따른 필라 높이의 점진적 증가를 확인시켜줍니다. DRIE의 패시베이션 층이 측벽을 보호하지만 일부 측면 에칭이 남아 최종 형상에 영향을 줍니다.

그림 5a는 PIII 없는 미세구조 배열의 흡수율입니다. 벌크 C-Si 대비 에칭 배열이 400-2000 nm 전 구간에서 흡수율을 향상시키며, 100 사이클 시료가 NIR에서 최대 70% 달성. 필라 내부 다중 반사로 광학 경로 길이가 증가하여 흡수 증대. 그러나 1000 nm 이상에서는 흡수율이 여전히 미미하여 황 도핑이 필요했습니다. PIII 후 그림 5b에서 전 스펙트럼에 걸쳐 흡수율이 현저히 증가했습니다. 100 사이클 시료의 피크 흡수율이 83%로 상승하고 평균 흡수율 62% 도달. 황 주입으로 불순물 밴드가 중첩되어 유효 밴드갭이 좁아지고 서브밴드갭 광자 흡수 가능[10,11]. 이는 밴드갭이 C-Si 1.12 eV에서 30, 70, 100 사이클 각각 1.045 eV, 1.033 eV, 1.025 eV로 감소한 것에서 확인됩니다(그림 7). 분석에는 쿠벨카-멍크 이론과 타우크 플롯을 사용했습니다. 그림 6은 필라 배열 내 다중 반사 메커니즘을 보여주며 흡수율 향상을 설명합니다.

후면 BSi를 Si-PIN 포토다이오드에 통합(그림 8a)하는 과정: (1) 단결정 n형 웨이퍼 양면 산화; (2) 전면에 붕소 확산으로 P-층 형성; (3) Si₃N₄ 증착 후 후면을 ~200 µm로 연마; (4) N⁺ 층 도핑 후 그 위에 BSi 필라 성장; (5) 금속 콘택 패터닝. 2 mm 직경 광감지 영역을 가진 소자 2는 상용 Si-PIN 포토다이오드와 유사한 암전류를 보입니다. 1060 nm 조명 하에서 응답도 0.53 A W⁻¹로 상용 S1336-44BK(소자 1) 대비 현저한 개선. 특히 680-1100 nm 구간에서 소자 2의 응답도가 소자 1보다 ~60 nm 더 확장되어 후면 BSi의 NIR 감도 확장 효능을 입증.

소자 2의 가시광 응답도 개선이 제한적인 이유는 C-Si 밴드갭 이상의 광자가 전면 P-층에서 흡수되어 후면 BSi가 캐리어 수집에 크게 기여하지 않기 때문입니다. 반면 NIR 광자는 전면 층을 투과하여 N-층에서 흡수되고, 역바이어스 하에서 생성된 캐리어가 N⁺ 콘택으로 효율적으로 수집되어 큰 응답도 향상을 이끕니다.

본 연구는 NIR 향상 포토다이오드 구현의 실행 가능성을 입증했으나, DRIE 파라미터, 이온 주입 에너지, 소자 구조 추가 최적화로 더 높은 성능과 폭넓은 적용 가능성을 기대할 수 있습니다.

결론

DRIE-PIII 2단계 공정으로 미세구조 블랙 실리콘을 성공적으로 제작했습니다. 세 가지 필라 형상(마스크 I: D = 4 µm, T = 6 µm; 마스크 II: D = 4 µm, T = 8 µm; 마스크 III: D = 4 µm, T = 10 µm)이 각각 1.87, 2.35, 3.15 µm 높이를 보였습니다. 이 구조들은 필라 내부 광학 경로 증가와 황 도핑에 의한 밴드갭 좁힘으로 400-2000 nm에서 피크 흡수율 83%, 평균 62% 달성. BSi를 Si-PIN 포토다이오드 후면으로 적용하여 1060 nm에서 0.53 A W⁻¹, 1100 nm에서 0.31 A W⁻¹ 응답도를 얻어 상용 S1336-44BK 검출기를 NIR 대역에서 크게 능가했습니다. 이 접근법은 고감도 NIR 포토검출기 개발에 유망한 경로를 제시합니다.