나노미터급 블랙 실리콘을 이용한 고효율 듀얼 4사분면 근적외선 포토디텍터

초록

본 논문에서는 나노미터 블랙 실리콘의 새로운 제조 공정을 제안합니다. 이 공정으로 HF 기체 분위기에서 셀렌(Se) 박막을 코팅한 고저항 실리콘을 나노초 펄스 레이저로 에이블레이션하여 높은 광 포착 능력을 가진 Se 도핑 블랙 실리콘 소재를 제조합니다. 결과에 따르면 어닐링 전 400~2200 nm 대역의 평균 흡수율은 96.81%이며, 600°C 어닐링 후에도 81.28%를 유지합니다. 한편, 신기술로 제조된 블랙 실리콘을 듀얼 4사분면 포토디텍터에 적용한 결과, 역바이어스 50 V에서 1060 nm에서 평균 단위 응답도 0.528 A/W, 1180 nm에서 0.102 A/W를 보였으며, 내부 사분면에서 평균 암전류 2 nA, 외부 사분면에서 8 nA를 기록했습니다. 근적외선 강화 블랙 실리콘 기반 듀얼 4사분면 포토디텍터는 높은 응답도, 낮은 암전류, 빠른 응답, 낮은 크로스토크의 장점을 가져 야간 투시 탐지, 의료 분야 등 다양한 응용에 적합합니다.

서론

근적외선 강화 포토디텍터[1,2,3]는 다른 파장대의 포토디텍터[4,5,6]에 비해 반응 범위, 응답 속도, 암전류, 근적외선 대역의 크로스토크 제한으로 만족스러운 성능을 얻기 어렵습니다. 그러나 2005년 캐리(Carey)가 최초의 블랙 실리콘 적외선 검출기를 개발한 이후, 블랙 실리콘 소재 기반 근적외선 포토디텍터가 급속히 발전하기 시작했습니다. 캐리가 개발한 블랙 실리콘의 성능은 단결정 실리콘 적외선 검출기보다 훨씬 뛰어납니다. 얼마 지나지 않아 일부 연구자들이 블랙 실리콘 검출기에 패시베이션 기술을 추가해 암전류를 줄였습니다. 블랙 실리콘[7,8,9]은 높은 흡수율과 넓은 흡수 스펙트럼 덕분에 실리콘 기반 근적외선 강화 포토디텍터의 선호 소재가 되었습니다.

반도체 산업에서 가장 중요한 소재 중 하나인 실리콘의 가공 품질을 잘 관리하는 것은 매우 중요합니다[10,11,12,13,14]. 넓은 스펙트럼, 높은 흡수, 낮은 결함을 가진 블랙 실리콘 제조는 고성능 근적외선 포토디텍터에 필수적입니다. 펨토초 레이저[15, 16]를 SF6 분위기[17, 18]에서 스캔해 블랙 실리콘 소재를 제조하는 연구들이 있으며, 자외선에서 근적외선 대역에서 90% 이상 흡수를 달성할 수 있습니다[19]. 그러나 고온 어닐링 후 근적외선 영역 흡수가 약 50%로 감소합니다. 한편, 연구자들은 Se 및 Te 도핑 블랙 실리콘의 흡수가 S 도핑 블랙 실리콘에 비해 어닐링에 의해 현저히 감소하지만, 고체 Se와 Te 막 도핑 공정에서는 블랙 실리콘 소재가 언덕 형태로 제조되어 광 포착이 충분히 좋지 않음을 발견했습니다[20, 21].

본 논문에서는 나노미터 블랙 실리콘의 새로운 제조 공정을 제안합니다. 이 공정으로 HF 기체 분위기에서 셀렌(Se) 박막을 코팅한 고저항 실리콘을 나노초 펄스 레이저로 에이블레이션하여 높은 광 포착 능력을 가진 Se 도핑 블랙 실리콘 소재를 제조합니다. 결과에 따르면 어닐링 전 400~2200 nm 대역의 평균 흡수율은 96.81%이며, 600°C 어닐링 후에도 81.28%를 유지합니다. 한편, 신기술로 제조된 블랙 실리콘을 듀얼 4사분면 포토디텍터에 적용한 결과, 50 V 바이어스에서 1060 nm에서 평균 단위 응답도 0.528 A/W, 1180 nm에서 0.102 A/W를 보였으며, 내부 사분면에서 평균 암전류 2 nA, 외부 사분면에서 8 nA를 기록했습니다. 근적외선 강화 블랙 실리콘 기반 듀얼 4사분면 포토디텍터는 높은 응답도, 낮은 암전류, 빠른 응답, 낮은 크로스토크의 장점을 가져 야간 투시 탐지, 의료 분야 등 다양한 응용에 적합합니다.

방법

포토디텍터는 다음 공정으로 제작 및 테스트되었습니다. 첫째, 블랙 실리콘 소재를 제조했습니다. N형 고저항 실리콘 웨이퍼를 5 cm × 5 cm 시료로 절단하고, 표준 세정 공정으로 세정한 후 질소 분위기에서 건조시켰습니다. 순도 99.99%의 Se 분말을 증발원으로 사용해 진공 증착기로 Si 시료 표면에 Se 박막을 증착했습니다. 펨토초 레이저 에칭 공정에 HF 기체를 도입했으며, 처리 파라미터는 다음과 같습니다: 스캔 속도 1 mm/s, 레이저 전력 밀도 4.5 kJ/m², HF 기체 압력 9 × 10⁴ Pa. 본 논문에서 사용된 펨토초 레이저는 Spectra-Physics사 Ti:사파이어 펨토초 레이저 증폭기입니다. 둘째, 블랙 실리콘 소재를 이용해 듀얼 4사분면 포토디텍터를 제작했습니다. 듀얼 4사분면 포토디텍터의 개략적 구조와 구체적 제조 공정은 그림 1과 2에 나와 있습니다. 셋째, 전계 방사형 주사전자현미경(SEM)으로 블랙 실리콘 형태를 분석하고, NIR2500 파이버 광분광기와 적분구로 소재 분광 특성을 측정했습니다. 한편, 포토디텍터의 응답 전류, 암전류 특성, 상승 시간을 측정했습니다. 테스트 시 광원은 Amonics 대역 레이저를 사용했으며, 암전류는 검출기에 블랙 박스를 추가해 역바이어스 하 전류를 측정했고, 응답 시간은 레이저 펄스 신호를 검출기에 작용시킬 때 오실로스코프로 광전류 변화를 읽어 측정했습니다.

결과 및 논의

본 논문에서는 HF 기체 분위기에서 셀렌(Se) 박막을 코팅한 고저항 실리콘을 나노초 펄스 레이저로 에이블레이션하여 높은 광 포착 능력을 가진 Se 도핑 블랙 실리콘 소재를 제조했습니다. 한편으로는 기존 S 도핑 실리콘 대신 Se 코팅이 과포화 상태이므로 블랙 실리콘에 대한 어닐링 효과가 감소합니다. S 원자가 Si 격자에서 확산되는 속도가 Se보다 빠르기 때문에 어닐링 효과가 좋지 않습니다. 다른 한편으로는 HF가 고온에서 H+와 F-로 분해되고, F 이온이 고온에서 펨토초 레이저로 에이블레이션된 실리콘 소재와 상호작용해 휘발성 SiF4를 생성합니다. 이렇게 소재 표면이 지속적으로 에칭되어 나노미터급 피라미드 구조가 형성되며, 레이저 에칭으로 생성된 나노미터급 피라미드가 블랙 실리콘의 반사율을 효과적으로 감소시킵니다. 한편 표면 패시베이션은 소수 캐리어 수명을 최적화하고, 블랙 실리콘 소재의 결함 밀도와 불필요한 캐리어 재결합을 감소시킵니다. 펨토초 레이저 에칭은 간단하고 재현성이 좋아 블랙 실리콘 어레이의 균일성이 우수하며, 블랙 실리콘 밴드갭 폭을 크게 줄일 수 있습니다. 기체 분위기, 레이저 전력, 레이저 스캔 속도가 블랙 실리콘 소재 특성에 미치는 영향을 추가 연구해 최적 공정 흐름을 얻을 수 있습니다. 신공정으로 제조된 블랙 실리콘은 어닐링 후 흡수율이 크게 향상되었습니다.

신공정으로 제조된 블랙 실리콘 소재로 듀얼 4사분면 포토디텍터를 제작했습니다. 본 논문에서 제안한 개략적 구조는 그림 1에 나와 있습니다. 제안된 포토디텍터는 감광층, 격리 홈, 블랙 실리콘 층으로 구성됩니다. 감광면 외경은 8 mm, 내경은 2 mm이며, 감광 영역들은 격리 슬롯으로 서로 분리되어 있습니다. 제안된 포토디텍터는 서로 다른 사분면 검출 결과에 따라 타겟의 광축 대비 오프셋 크기와 방향을 결정할 수 있어 정밀한 위치 결정을 달성합니다.

포토디텍터의 응답 전류, 암전류 특성, 상승 시간, 크로스토크 특성은 상용 소프트웨어 COMSOL Multiphysics 5.4a로 시뮬레이션해 최적 구조를 설계했습니다. 응답 전류, 암전류 특성, 상승 시간은 식 1-3으로 구할 수 있습니다. 면적, 입사 전력, 소재 파라미터가 정해지면 응답 전류, 암전류, 응답 시간이 주로 I층 두께와 바이어스 전압과 밀접한 관련이 있음을 알 수 있으므로, 이 파라미터들을 주로 시뮬레이션했습니다.

$${\text{I}}_{{\text{p}}} = \frac{{qP\left( {1 - R} \right)}}{hv} \cdot \left( {1 - \frac{{e^{ - \alpha W} }}{{1 + \alpha \sqrt {D\tau } }}} \right) + qP\frac{D}{{\sqrt {D\tau } }}$$ (1)

$${\text{I}}_{D} = \sqrt {Aqn\frac{W}{2\tau }} + \left( {\frac{2m}{{E_{g} }}} \right)^{\frac{1}{2}} \left( {q^{3} E\frac{v}{{4\pi^{2} \hbar^{2} }}} \right)Ae^{{\left( { - \frac{4}{3qE\hbar }\sqrt {2mE_{g}^{3} } } \right)}}$$ (2)

$$T = \sqrt {\left( {2.2t_{RC} } \right)^{2} + t_{d}^{2} + \tau_{d}^{2} }$$ (3)

여기서 P는 입사 전력, R은 반사율, α는 흡수 계수, W는 I층 두께, D는 정공 확산 계수, τ는 캐리어 수명입니다. E ∝ 바이어스 전압, t_RC는 주로 등가 저항과 커패시턴스로 결정되는 회로 시정수입니다. t_d는 확산 시간, τ_d는 통과 시간입니다.

역바이어스 전압이 위 파라미터에 미치는 영향은 그림 3에 나와 있습니다. 바이어스 전압이 증가함에 따라 응답 전류와 암전류도 증가하지만, 상승 시간은 감소합니다. 따라서 바이어스 증가에 따른 응답 전류, 상승 시간, 암전류 간의 트레이드오프를 균형 있게 조정하고 수요에 따라 적절한 바이어스를 선택해야 합니다. 마찬가지로 PIN 구조의 I층 두께(포토디텍터 두께를 크게 결정)도 시뮬레이션했으며 결과는 그림 4에 나와 있습니다. 한편 그림 5는 격리 슬롯 폭이 포토디텍터에 미치는 영향을 보여주며, 격리 슬롯 폭이 100 µm로 증가하면 크로스토크율이 기본적으로 안정화됨을 알 수 있습니다. 시뮬레이션 결과에 따라 최적 응답 전류, 암전류, 상승 시간을 얻었으며, 구체적 소자 파라미터는 표 1에 나와 있습니다.

높은 응답도, 빠른 응답 속도, 높은 안정성을 달성하기 위해 일부 제조 공정도 최적화했습니다[22,23,24]. 첫째, 인접 감광 영역 간 크로스토크를 줄이기 위해 격리 홈과 차단 링을 설계했습니다. 둘째, 웨이퍼 박막화 및 연마 공정으로 공핍층 두께를 줄여 소자 응답 속도를 향상시켰습니다. 셋째, 원스텝 펨토초 레이저 에이블레이션으로 블랙 실리콘을 제조하는 것이 블랙 실리콘 소재의 우수한 재현성과 안정성을 달성하는 핵심입니다. 넷째, 블랙 실리콘 층의 표면 하부 패시베이션 처리로 표면 결함 상태 밀도를 줄이고 조절하며, 광생성 캐리어의 자중 화합을 감소시켜 포토디텍터의 높은 응답도를 달성했습니다. 포토디텍터의 구체적 제조 공정은 그림 2에 나와 있습니다. 최종 소자도는 그림 2j에 나와 있으며, I층 두께는 180 µm, P N층 두께는 10 µm입니다. P⁺는 P형 실리콘에 B를 고농도 도핑해 형성하고, N⁺은 P 확산으로 형성하며, 접촉 전극은 열증착으로 증착했습니다.

그림 6은 고온 어닐링 후 고감도 광감도 Se 도핑 블랙 실리콘의 표면 형태와 광전기적 특성 변화를 보여줍니다. 구체적 가공 파라미터는 다음과 같습니다: 스캔 속도 1 mm/s, 레이저 전력 밀도 4.5 kJ/m², HF 기체 압력 9 × 10⁴ Pa. 그림에서 고온 어닐링 전후 표면 형태가 나노미터급 테이퍼형 블랙 실리콘 어레이로 더 균일하게 분포하며 뚜렷한 변화가 없음을 볼 수 있습니다. 흡수 스펙트럼 측면에서 본 논문 신공정으로 제조된 블랙 실리콘의 어닐링 후 평균 흡수율은 83.12%에 달해, 어닐링 후 흡수율이 약 50%인 S 도핑 블랙 실리콘에 비해 내화성이 크게 향상되었습니다. 또한 펨토초 레이저 펄스 스캔 속도가 블랙 실리콘 소재 성능에 미치는 영향을 테스트했으며, 결과는 그림 7에 나와 있습니다. 속도가 감소함에 따라 Se 원소 도핑량이 지속적으로 증가해 블랙 실리콘 팁 콘 형태가 더 뚜렷해지고 흡수율이 높아짐을 알 수 있습니다.

타우크(Tauc) 매핑 이론에 따르면 소재 밴드갭은 흡수 스펙트럼 변환으로 얻을 수 있습니다[25]:

$${\text{F}}\left( {{\text{R}}\infty } \right) \approx \frac{{{\text{A}}^{{2}} }}{{{\text{2R}}}}$$ (4)

$$\left( {{\text{h}}\nu \alpha } \right)^{{\frac{{1}}{{\text{n}}}}} = {\text{K}}\left( {{\text{h}}\nu - {\text{Eg}}} \right)$$ (5)

$${\text{h}}\nu = \frac{{{1239}{\text{.7}}}}{\lambda }$$ (6)

$$\left( {{\text{h}}\nu {\text{F}}\left( {{\text{R}}\infty } \right)} \right)^{{\frac{{1}}{{2}}}} = {\text{K}}\left( {{\text{h}}\nu - {\text{Eg}}} \right)$$ (7)

여기서 A는 분광 흡수, R은 반사율입니다. hv-(hvF(R∞))^1/2 곡선의 1차 도함수를 계산해 변곡점(1차 도함수 최대점)을 구하고, 이 점에서 곡선의 접선을 그립니다. 접선과 X축 교점의 절편 값이 시료 밴드갭입니다. 서로 다른 스캔 속도에서 블랙 실리콘 소재의 등가 밴드갭 폭 결과는 표 2에 나와 있습니다. 스캔 속도 감소와 Se 도핑 농도 증가에 따라 기존 실리콘 소재의 1.12 eV에 비해 밴드갭 폭이 감소하고 스펙트럼 대역이 증가합니다.

듀얼 4사분면 포토디텍터의 PIN 접합을 서로 다른 소재 밴드갭에서 시뮬레이션했습니다. 시뮬레이션 결과는 그림 8에 나와 있으며, 밴드갭 폭 감소에 따라 광전류 흡수 피크가 근적외선 대역으로 이동함을 보여줍니다. 따라서 시뮬레이션 결과와 포토디텍터의 광전기적 성능을 고려해 최적 스캔 속도를 선택할 수 있습니다.

동일한 시뮬레이션 공정으로 광전력 밀도와 HF 공기 압력 등 서로 다른 실험 조건에서 최적 소재 제조 파라미터를 결정했습니다(그림 9, 10 참조).

구체적 가공 파라미터는 다음과 같습니다: 스캔 속도 1 mm/s, 레이저 전력 밀도 4.5 kJ/m², HF 기체 압력 9 × 10⁴ Pa. 위 실험 파라미터로 신기술로 블랙 실리콘 소재를 제조하고 듀얼 4사분면 포토디텍터를 만들었습니다. 포토디텍터 실물 사진과 테스트 결과는 그림 11, 표 3, 4에 나와 있으며, 응답도 결과는 2 mW 레이어로 측정되었습니다. 결과에 따르면 역바이어스 50 V에서 1060 nm에서 평균 단위 응답도 0.528 A/W, 1180 nm에서 0.102 A/W를 보였으며, 응답 대역은 400~1200 nm로 시뮬레이션 결과와 기본적으로 일치합니다. 평균 분광 흡수율은 90% 이상, 평균 암전류는 8 nA 미만입니다(암전류는 검출기에 블랙 박스를 추가해 역바이어스 하 전류 측정). 실제 가공에서 감광 영역 접합 깊이 균일성이 이상적이지 않아 암전류 결과가 시뮬레이션보다 약간 큽니다. 한편 응답 시간은 레이저 펄스 신호를 검출기에 작용시킬 때 오실로스코프로 광전류 변화를 읽어 측정했으며, 평균 상승 시간이 12 ns 미만으로 시뮬레이션 예상 결과와 부합합니다. 따라서 본 논문에서 제작된 포토디텍터는 4사분면 정밀 위치 결정을 달성할 뿐만 아니라 넓은 검출 대역, 낮은 암전류, 빠른 응답을 보장합니다.

결론

본 논문에서는 블랙 실리콘의 새로운 제조 공정을 제안합니다. 이 공정으로 HF 기체 분위기에서 셀렌(Se) 박막을 코팅한 고저항 실리콘을 펨토초 레이저로 에이블레이션하여 높은 광 포착 능력을 가진 Se 도핑 블랙 실리콘 소재를 제조합니다. 결과에 따르면 어닐링 전 400~2200 nm 대역 평균 흡수율은 96.81%, 600°C 어닐링 후 81.28%를 유지합니다. 한편, 신기술로 제조된 블랙 실리콘을 듀얼 4사분면 포토디텍터에 적용한 결과, 50 V 바이어스에서 1060 nm에서 평균 단위 응답도 0.528 A/W, 1180 nm에서 0.102 A/W, 내부 사분면 평균 암전류 2 nA, 외부 사분면 8 nA를 기록했습니다. 근적외선 강화 블랙 실리콘 기반 듀얼 4사분면 포토디텍터는 높은 응답도, 낮은 암전류, 빠른 응답, 낮은 크로스토크 장점을 가져 야간 투시 탐지, 의료 분야 등 다양한 응용에 적합합니다.