微結(jié)構(gòu)硅基光電二極管的近紅外響應(yīng)特性實驗研究

寬帶隙紅外光譜響應(yīng)由于其在硅基光電探測器中的潛在應(yīng)用而受到了廣泛關(guān)注。據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學(xué)院微電子研究所集成電路先導(dǎo)研發(fā)中心、中國科學(xué)院大學(xué)集成電路學(xué)院和電子科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院的科研團(tuán)隊在《電子科技大學(xué)學(xué)報》期刊上發(fā)表了以“微結(jié)構(gòu)硅基光電二極管的近紅外響應(yīng)特性研究”為主題的文章。該文章第一作者為羅海燕，主要從事硅光子學(xué)、微電子學(xué)等方面的研究工作。

本文通過使用離子注入將硫元素擴(kuò)散至硅材料內(nèi)，結(jié)合飛秒脈沖激光加工工藝構(gòu)建微結(jié)構(gòu)硅，最終實現(xiàn)了制造的PN型黑硅光電二極管在中紅外光譜的響應(yīng)。對摻雜后的微結(jié)構(gòu)硅進(jìn)行霍爾測試以獲取其電學(xué)性能，同時對比了不同離子注入劑量下光電二極管的光學(xué)和電學(xué)性能，研究了微結(jié)構(gòu)硅在中長波紅外光譜的響應(yīng)機(jī)理，為商業(yè)化微結(jié)構(gòu)硅圖像傳感器提供了理論依據(jù)。

實驗過程

在室溫下，將300 μm厚度、7.8-11.2 Ω?cm電阻率的單面拋光P型（100）面單晶硅進(jìn)行離子注入，注入劑量分別為1×101?、1×101?和1×101?離子/cm2，注入能量為1.2 keV 32S+，注入深度大約40 nm。離子注入后采用快速熱退火方式修復(fù)晶硅表面缺陷。P型單晶硅背面采用熱擴(kuò)散技術(shù)高摻雜硼1020 cm?3。實驗中使用1 kHz的飛秒脈沖激光進(jìn)行微納加工，其核心參數(shù)包括100-fs、800 nm的中心波長，激光通量為0.5 J/cm2。具體操作步驟為：將直徑200 μm的激光光斑通過焦距為10 cm的透鏡聚焦于真空腔中的硅襯底，形成10 mm × 10 mm的方形圖案區(qū)域，單個脈沖的平均能量密度為0.48 J/cm2；激光加工工藝結(jié)束后采用快速熱退火設(shè)備在氮氣氣氛中600℃下進(jìn)行30 min熱退火。

本文使用日本Shimadzu公司生產(chǎn)的配備積分球檢測器的UV3600型號UV-Vis-NIR分光光度計對微結(jié)構(gòu)硅的反射率（R）和透射率（T）進(jìn)行測量，通過A=1?R?T計算吸收率（A）。載流子的濃度和遷移率通過霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)在室溫下測量獲取。為了研究硅材料中的硫雜質(zhì)形成的雜質(zhì)態(tài)/中間能級是否增強(qiáng)了硅在近紅外至中紅外波段的光譜響應(yīng)，采用傅里葉變換（FTIR）光電流光譜測試方法。測試原理為：FTIR發(fā)出的紅外光經(jīng)內(nèi)部的邁克遜干涉儀調(diào)制后輸出至外部光路，該光束通過偏振片后變?yōu)閟或p線偏振光，經(jīng)過200 Hz的信號調(diào)制后輻照樣品表面，樣品產(chǎn)生的光電流隨后輸入到鎖相放大器，經(jīng)解調(diào)后的直流信號進(jìn)一步反饋至FTIR光譜儀。最終，在步進(jìn)掃描的模式下獲得樣品在近紅外至中遠(yuǎn)紅外波段的光電流頻譜。具體操作步驟為：將調(diào)制的FTIR球狀光源聚焦于微結(jié)構(gòu)硅的光電二極管樣品，其產(chǎn)生的光電流可以通過外部鎖相放大器進(jìn)行解調(diào)，最后反饋回FTIR的外部端口收集數(shù)據(jù)。

實驗結(jié)果與分析

圖1顯示了采用不同離子劑量注入的硅樣品的吸收率?？梢钥闯觯捎妹}沖激光熔化處理的方式對硅樣品進(jìn)行微結(jié)構(gòu)加工，其在可見光和近紅外光譜范圍內(nèi)顯示出最高的吸收率，而未采用激光熔化處理方式制備的樣品顯示出最低的吸收率。然而，后續(xù)的熱退火工藝會降低微結(jié)構(gòu)硅在近紅外區(qū)域的光譜吸收。飛秒激光熔化處理制備的微結(jié)構(gòu)硅具有較高的可見至近紅外光譜吸收，這主要歸因于硫元素?fù)诫s誘導(dǎo)的雜質(zhì)能級吸收和微結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生的光捕獲效應(yīng)。

圖1 不同離子劑量注入的硅樣品吸收率測試

圖2a顯示硅中硫元素?fù)诫s劑形成了雜質(zhì)能帶，引起了傳統(tǒng)硅材料光學(xué)帶隙范圍以外的近紅外至中紅外光譜吸收。因此，硫摻雜硅材料在近紅外光譜范圍內(nèi)顯示出高吸收率。同時，脈沖激光熔化重建硅表面后產(chǎn)生了一系列的微型錐體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致入射光的多次反射和吸收，如圖2b所示。熱退火處理工藝明顯降低了近紅外光譜范圍內(nèi)的吸收率，這主要是由兩個方面引起：1）退火消除了微結(jié)構(gòu)硅表面的納米結(jié)構(gòu)，降低光捕獲效應(yīng)；2）退火導(dǎo)致硅基體材料內(nèi)的化學(xué)鍵重排，導(dǎo)致硫雜質(zhì)的光學(xué)失活。

圖2 微結(jié)構(gòu)硅對可見及近紅外光響應(yīng)機(jī)理示意圖

由于相同的激光參數(shù)加工產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)硅樣品表面結(jié)構(gòu)相似，因此，近紅外光譜范圍內(nèi)的吸收強(qiáng)度主要取決于摻雜劑的雜質(zhì)劑量。這也從側(cè)面驗證了在近紅外光譜范圍內(nèi)觀察到的微結(jié)構(gòu)硅樣品吸收率的大幅增強(qiáng)實際上取決于硫元素的相關(guān)能級（～614 meV）。進(jìn)一步地，在熱退火過程之前，微結(jié)構(gòu)硅樣品的吸收率相對于摻雜劑量沒有顯著變化，如圖3所示。離子注入劑量為101?、101?離子/cm2的微結(jié)構(gòu)硅樣品表現(xiàn)出相似的吸收率，而以101?離子/cm2注入的微結(jié)構(gòu)硅樣品表現(xiàn)出不明顯的下降。

經(jīng)過熱退火工藝處理后，不同離子注入劑量的微結(jié)構(gòu)硅樣品吸收率均有所下降。認(rèn)為熱退火過程中晶粒會擴(kuò)散到過飽和硫元素?fù)诫s劑和缺陷的晶界處。這些缺陷包括空位、懸空鍵和浮動鍵。一旦缺陷擴(kuò)散至晶界處，它們將不再對硅中雜質(zhì)帶的近紅外吸收做出貢獻(xiàn)，從而減少了對微結(jié)構(gòu)硅樣品對近紅外至中遠(yuǎn)紅外光譜的吸收。此外，當(dāng)退火溫度達(dá)到650 ℃以上時，硅禁帶中的硫元素才會發(fā)生顯著的再分布。在此過程中，S原子與缺陷簇復(fù)合，這意味著S原子將在硅體材料表面相互鍵合。這種鍵合現(xiàn)象導(dǎo)致有效的硫元素?fù)诫s濃度活性降低。

圖3 不同離子注入劑量的微結(jié)構(gòu)硅樣品退火前后吸收率對比

進(jìn)一步對不同離子注入劑量的微結(jié)構(gòu)硅的載流子密度和遷移率進(jìn)行霍爾測試。隨著離子注入劑量的增加，體材料的單層密度逐漸增加，而遷移率不斷降低。根據(jù)半導(dǎo)體Shockley-Read-Hall（SRH）復(fù)合效應(yīng)，在硅和鍺等間接帶隙半導(dǎo)體材料中，載流子壽命隨著摻雜濃度的增加而降低。遷移率降低導(dǎo)致載流子復(fù)合概率增加，電子壽命降低。因此，隨著硫元素?fù)诫s劑量的增加遷移率降低的結(jié)論與SRH復(fù)合效應(yīng)一致。熱退火工藝過程中，由于熱擴(kuò)散效應(yīng)，體材料的單層載流子密度顯著降低。

對快速熱退火后的微結(jié)構(gòu)硅樣品進(jìn)行器件制備。采用熱蒸發(fā)的方法在硅樣品上下表面沉積500 nm的鋁金屬薄膜，器件結(jié)構(gòu)如圖4a、圖4b所示。為了獲得良好的器件歐姆接觸，將沉積鋁電極的微結(jié)構(gòu)硅樣品在氮氣氣氛中400℃退火20 min。其近紅外至中遠(yuǎn)紅外波段光譜的響應(yīng)曲線結(jié)果如圖4c所示。進(jìn)一步表征注入劑量在101?離子/cm2樣品的中長波紅外波段響應(yīng)光譜如圖4d所示。

圖4 基于微結(jié)構(gòu)硅的光電二極管性能示意圖

表1說明了與可見至中長波紅外光響應(yīng)光譜特征相對應(yīng)的S原子雜質(zhì)能級。對該P(yáng)N型光電二極管進(jìn)行光暗電流I-V曲線測試，光電流的測試采用1064 nm半導(dǎo)體激光器，功率為0.01 W，測試結(jié)果如圖5所示。I-V結(jié)果證實了在硅襯底和摻雜S層之間形成了良好的歐姆接觸。

表1 硅材料中S原子雜質(zhì)能帶對應(yīng)的中長波紅外光譜響應(yīng)特征峰

圖5 101?離子/cm2的微結(jié)構(gòu)硅光電二極管光暗電流I-V曲線

結(jié)束語

本文通過對硅材料進(jìn)行不同劑量的硫元素離子注入，結(jié)合脈沖激光熔化處理和快速熱退火技術(shù)，得到以下結(jié)論：

1）離子注入硫元素?fù)诫s會引起硅在近紅外光譜范圍內(nèi)吸收增強(qiáng)，拓展本征硅的光學(xué)吸收范圍；

2）采用脈沖激光熔化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)硫元素在硅中一定厚度的超摻雜?；诔瑩诫s硅的PN光電二極管表現(xiàn)出近紅外至中長波紅外光譜響應(yīng)，充分驗證了摻雜硫元素能夠在硅禁帶中引入雜質(zhì)能帶，引起光生載流子的產(chǎn)生。

綜上，在構(gòu)建結(jié)構(gòu)硅的近紅外圖像傳感器時，適當(dāng)?shù)貎?yōu)化硫族元素的注入濃度、注入深度和微結(jié)構(gòu)的縱深比，可改善摻雜層與襯底的內(nèi)建電場，提高光電二極管的光電流；通過后續(xù)退火工藝參數(shù)的優(yōu)化，能夠極大地降低器件暗電流，減少離子注入和激光加工工藝帶來的晶體缺陷問題。這些改進(jìn)的方案使微結(jié)構(gòu)超摻雜硅光電二極管更適用于低成本寬帶紅外硅基探測器。

審核編輯：劉清