フェムト秒レーザーパルス溶融法で作製した硫黄ハイパードープシリコンフォトダイオードの近赤外性能向上

要旨

不純物媒介近赤外（NIR）光応答のシリコン実現は、次世代光起電力とフォトディテクタの重要目標。本研究では、硫黄イオン注入とフェムト秒パルスレーザー溶融（PLM）を組み合わせ、n⁺/pフォトダイオード系列を作製。結果として得られたハイパードープシリコンデバイスは、NIR吸収率と光電流の顕著な増加示した。1 × 10¹⁴ ions cm⁻²注入デバイスが最高性能発揮、控えめなドーパント量でもPLMと組合せで低コストブロードバンドシリコンフォトディテクタ実現可能実証。

背景

従来シリコンは1.12 eVバンドギャップで固有NIR感度限定。表面テクスチャリングからサブバンドギャップドーピングまで多くの戦略で克服試み。SF₆雰囲気レーザー照射によるカルコゲン過飽和シリコンのブレークスルーで、シリコンが平衡溶解度超えドープ可能、バンドギャップ以下吸収する不純物バンド形成判明。レーザー溶融形成円錐微細構造が光トラッピングさらに強化、吸収効率向上。これら概念発展させ、イオン注入後フェムト秒PLMで硫黄ハイパードープシリコン作製、n⁺/p接合フォトディテクタの電気的・光学的応答評価。

実験方法

片面研磨p型（100）シリコンウェハ（300 µm厚、8–12 Ω cm抵抗率）に1.2 keV ³²S⁺イオン注入、深度約40 nm。注入線量1 × 10¹⁴、1 × 10¹⁵、1 × 10¹⁶ ions cm⁻²使用。PLMは1 kHz、100 fs、800 nmパルス列、フルエンス0.5 J cm⁻²で実施；200 µmレーザースポット走査で10 mm × 10 mm正方形パターン。600 °C、30分、N₂雰囲気で急速熱アニールでプロセス完了。

吸収率（A）は反射率（R）と透過率（T）から導出、UV–Vis–NIR分光光度計（Shimadzu UV3600）と積分球で測定（A = 1 – R – T）。キャリア濃度と移動度は常温ホール効果（ファンデルパウ法）取得。不純物媒介サブバンドギャップ吸収探索に、チョップFTIRグローバー源とロックイン検出でフーリエ変換光電流分光実施。

結果と考察

図1でPLMがアズ注入試料比較で可視とNIR領域吸収率劇的向上示す。アニールはNIR吸収減少：(1) 円錐ナノ構造浸食で光トラッピング減衰、(2) 硫黄原子が結合再配列で光学的不活性化。微細構造表面がNIR応答強化に極めて重要役割。

a–c 製造プロセスと注入線量別吸収率。d Siバンドギャップ内不純物バンドでサブバンドギャップ吸収可能。e シリコンスパイクSEM像。f 微細構造表面光学経路。

表面トポロジー同一のため、NIR吸収率主に硫黄濃度依存。先行研究で約614 meV硫黄関連準位同定、顕著NIR吸収基盤。アニール前、吸収率は線量に比較的非依存：10¹⁶と10¹⁵ ions cm⁻²で類似値、10¹⁴ ions cm⁻²でわずか減少。アニール後、ドーパント拡散で粒界移動と硫黄–欠陥クラスタ形成、活性不純物バンド密度減少で吸収率低下。

a イオン注入線量別吸収率（PLM処理後）。b アニール前後微細構造シリコン電気的特性。

キャリアシート密度は線量増加で上昇、移動度低下、ショックリー・リード・ホール再結合と整合：高ドーパントでキャリア寿命短縮、再結合確率上昇。アニールで熱拡散によりシート密度劇的減少。

図3に光応答スペクトル示す。960 nm付近明確ピーク、Si基板内電子–正孔対生成、n⁺/p接合ビルトイン電場で抽出反映。NIR帯域（1100–1600 nm）で10¹⁴ ions cm⁻²デバイスが高線量対応物上回り、最高光電流達成。ホールデータでこの線量でバルク濃度約10¹⁹ cm⁻³と最高移動度、吸収とキャリア輸送最適トレードオフで優れたデバイス性能確認。

異なる線量n⁺/pディテクタ光応答。インセット：微細構造表面上櫛形電極デバイスレイアウト。

結論

イオン注入後フェムト秒PLMによる硫黄ハイパードーピングがシリコンNIR吸収率とフォトディテクタ性能有意向上実証。1 × 10¹⁴ ions cm⁻²注入デバイスが最高光応答、不純物誘起吸収とキャリア移動度の重要バランス確認。このスケーラブル低コスト手法は、集積フォトニクスとエナジーハーベスティング応用向けブロードバンドシリコンフォトダイオードへの道開く。