フェムト秒レーザー誘起硫黄ハイパードープシリコンN + / Pフォトダイオードの光学的および電子的特性

背景

従来のシリコンベースのデバイスは、シリコンの光学バンドギャップ（1.12 eV）が制限されているため、望ましいNIR光応答を示すことができず[1]、特にNIR波長でシリコン材料の吸収率を高めるために多くの試みがなされてきました[2,3、 4,5,6,7,8,9]。 SF ₆ でのレーザー照射によって製造されたカルコゲン過飽和シリコンの発見 大気は、サブバンドギャップ吸収を強化するアプローチを示しました[10、11]。このプロセスでは、材料は溶解限度を超えてドープすることができます[12]。また、シリコン表面の独自の尖った円錐構造による光トラップ効果により、光吸収効率も向上します[13]。本論文では、イオン注入とフェムト秒パルスレーザーで作製したハイパードープシリコンを作製した。ハイパードープシリコンの電気的特性を測定するためにホール測定を行った。 n ⁺ に基づく光検出器 / p接合は、NIR吸収と光応答の両方で高い性能を示しました。

メソッド

抵抗率8〜12Ωcmの片面研磨p型シリコン[100]ウェーハ（300μm）に1.2keVのイオン注入 ³² S ⁺ 室温で約40nmの深さまで。着床線量は1×10 ¹⁴ でした。 、1×10 ¹⁵ 、および1×10 ¹⁶ イオン/ cm ² 。パルスレーザー溶融（PLM）は、100fsの1kHzトレイン、0.5 J / cm ² のフルエンスの800nmフェムト秒レーザーパルスによって実行されました。 。次に、直径200 µmのレーザースポットが、シリコンと最大10mm×10mmのパターン化された正方形の領域に焦点を合わせます。ラピッドサーマルアニーリング（RTA）は、600°Cで30分間、N ₂ で実装されました。 雰囲気。

吸収率を決定しました（ A ）反射率（ R ）および透過率（ T ）積分球検出器を備えたUV-Vis-NIR分光光度計（UV3600、島津製作所、東京、日本）を使用する[3]。吸収率は A によって計算されました =1- R - T 。キャリアの濃度と移動度は、室温でホール効果測定システムによって測定されました（van der Pauw技術を介して）[14]。シリコン中の硫黄不純物によって形成される不純物/中間バンド（IB）がサブバンドギャップの光応答を高めるかどうかを調べるために、参考文献に記載されているフーリエ変換光電流分光法を採用しました。 [15、16]、ここでは、切り刻まれたFTIRグロバー光源がサンプルに焦点を合わせ、生成された光電流が外部ロックインアンプによって復調され、最後にFTIRの外部ポートにフィードバックされます。

結果と考察

図1は、さまざまな線量で注入されたシリコンサンプルの吸収率を示しています。 PLMで処理されたサンプルは、可視波長とNIR波長で最高の吸収率を示しましたが、注入されたままのサンプルは最低の吸収率を示しました。ただし、アニーリングプロセスにより、スペクトルのNIR領域での吸収が減少します。微細構造シリコンの高いVis-NIR吸収率は、次の理由によるものです。ハイパードーピングによって誘発された不純物バンドと微細構造表面によって生成された光トラップ効果。図1dに示すように、ドーパントによって誘発された不純物バンドがシリコンに形成され、サブバンドギャップ吸収の原因となります[17]。その結果、ハイパードープシリコンはNIR範囲で高い吸収率を示します。一方、レーザー溶融はシリコン表面を再構築し、図1e、fに示すように、多重反射と吸収につながる錐体の配列を生成します[13]。処理されたアニーリングは、主に2つの側面によって引き起こされるNIR波長範囲での吸収率を明らかに低下させます。（1）シリコン表面のナノ構造を消滅させ、光トラップ効果を低下させます[18]。 （2）硫黄不純物を光学的に不活性化するシリコンマトリックス内の結合再配列をもたらします[11]。

a – c さまざまな注入量でのさまざまな製造プロセスへの吸収率の依存性。 d Siのバンドギャップ内にある不純物バンドは、低エネルギー光子の吸収に関与するキャリアの生成を促進します。 e シリコンスパイクの走査型電子顕微鏡写真。 f 微細構造表面の光路の図

同じレーザーパラメータによって作成された同様の表面構造のため、NIR範囲での吸収の強度は、主にドーパントの不純物レベルに依存します[19]。過去に、光応答スペクトルの特徴に対応する可能性のあるS関連のエネルギーレベルを示しました[20]。これは、NIR領域で観察された大きな増強が、S関連のエネルギーレベル（〜614 meV）に依存して生じ、サブバンドギャップ吸収率を大幅に増強したことを示しています。図2aに示すように、アニーリングプロセスの前は、吸収はドーピングドーズに関して劇的な変化はありません。 10 ¹⁶ の微細構造シリコン および10 ¹⁵ イオン/ cm ² 注入量は同様の吸収率を示し、サンプルは10 ¹⁴ で注入されます。 イオン/ cm ² 目立たない減少を示しています。 NIR範囲のアニールされたサンプルの低い吸収率は、2つの側面に起因すると考えられます。 M. A. Sheehy etal。 [21]は、アニーリングプロセス後のバンドギャップ以下の吸収の減少は、結晶粒から過飽和ドーパントおよび欠陥の粒界への拡散に起因すると提案しました。これらの欠陥には、空孔、ダングリングボンド、フローティングボンドが含まれます。欠陥が粒界に拡散すると、Siの不純物バンドに寄与しなくなり、バンドギャップ以下の放射線の吸収が減少します。さらに、文献[22]は、アニーリング温度が650°Cに達するまで、Sの顕著な再分布は発生しなかったと報告しています。このプロセス中に、Sは欠陥クラスターと複合体を形成しているように見えます。これは、S原子がSiウェーハ表面で互いに結合することを意味します。この現象は、アクティブなドーピング濃度の低下につながります。

a 異なるイオン注入線量への吸収率の依存性。すべてのサンプルはPLMによって微細構造化されました。 b アニーリング前とアニーリング後の異なるイオン注入ドーズに対する参照シリコンと微細構造シリコンの電子特性

イオン注入量が異なる微細構造シリコンのキャリア密度と移動度を図2bに示します。シート密度はイオン注入ドーズ量とともに増加し、移動度はイオン注入ドーズ量の増加とともに減少することは明らかです。 Shockley-Read-Hall（SRH）再結合効果によると、SiやGeなどの間接バンドギャップ半導体では、ドーパント濃度の増加に伴ってキャリア寿命が短くなります[23、24]。移動度の低下は再結合確率の増加につながるため、移動度の低下は電子寿命の低下をもたらし、ドーピング量の増加に伴う移動度の低下はSRH再結合効果と一致します。アニーリング後、シートキャリア密度は、前述のように熱拡散効果により劇的に減少します。

図3は、さまざまなドーピング線量での光応答を示し、挿入図はn + / p光検出器の図を示しています。 NIR範囲での光応答は、不純物を介したバンドの出現を示しています。約960nmの顕著なピークは、シリコン基板での電子正孔対の生成に対応します。これは、n ⁺ の組み込み電位によって分離されています。 / p接合であり、上部と下部のAl接点で収集されます。この現象は、Siデバイスのヘテロ接合理論としてよく知られています[25]。

異なるイオン注入線量でのn + / p検出器の光応答。挿入図は、デバイスの上面図と断面図を示しています。薄い灰色は、微細構造の表面でのかみ合った接触のパターンと、裏側でのすべての立った接触のパターンを示しています

NIRで観察された光応答は、ハイパードープシリコンの硫黄不純物レベルに起因します。このような不純物レベルは、上記のように以下のバンドギャップ吸収を促進します。吸収されたNIR光は電子正孔対に変換され、NIR範囲（1100〜1600 nm）での光応答が向上します[20]。注入線量が10 ¹⁴ のデバイス イオン/ cm ² は、1010〜1100nmの波長範囲で最高の光応答を示しています。フェムト秒レーザー処理シリコンの深い硫黄レベルを所有するブロードピークが調査されています[20、26]。さらに、10 ¹⁴ のデバイスであることがわかりました イオン/ cm ² 10 ¹⁵ よりも高い光応答を示しています および10 ¹⁶ イオン/ cm ² 。そして、ホール測定は、サンプルが10 ¹⁴ で注入されたことを示しました。 イオン/ cm ² バルク濃度は10 ¹⁹ でした イオン/ cm ³ 。 SRH再結合効果によって示されるように、キャリア寿命はシリコン中のドーパント濃度に依存します。 E. Mazurは、10 ¹⁹ のサンプルであると結論付けました。 イオン/ cm ³ ドーパント濃度は、10 ²⁰ よりも長いキャリア寿命を示すと予想されました。 および10 ²¹ イオン/ cm ³ [23]。ホール測定結果、サンプルは10 ¹⁴ に注入されました イオン/ cm ² 最高の機動性を示し、結論と一致しています。この理論に基づくと、ドーピング量が多いサンプルほど吸光度が高くなりますが、それでも光吸収とキャリア移動度のバランスが取れています。図3に示すように、10 ¹⁴ のデバイス イオン/ cm ² 最高の光応答を示す可能性が最も高く、これは参考文献で報告されている結論と一致しています。 [23]。

結論

イオン注入量の異なる微細構造シリコンをベースにした光検出器の応答を測定しました。不純物を組み込むと、NIR波長での吸収率と光応答が著しく向上します。そして、デバイスは10 ¹⁴ に埋め込まれました イオン/ cm ² 最高の光応答を示します。イオン注入と組み合わせたPLMは、NIR検出器を製造するためのかなりの技術を示しています。この技術は、低コストのブロードバンドシリコンベースの光検出器を製造するための実行可能なアプローチを提供する可能性があります。