Desempenho Próximo ao Infravermelho Aprimorado de Fotodiodos de Silício Hiper-dopado com Enxofre Fabricados por Fusão Pulsada a Laser de Femtossegundo

Resumo

Fotorresposta no infravermelho próximo (NIR) mediada por impurezas no silício é objetivo chave para fotovoltaicos e fotodetectores de próxima geração. Neste estudo, fabricamos série de fotodiodos n⁺/p combinando implantação iônica de enxofre com fusão pulsada a laser de femtossegundo (FPL). Dispositivos de silício hiper-dopado resultantes exibiram aumento marcante em absorvância NIR e fotocorrente. Dispositivo implantado a 1 × 10¹⁴ íons cm⁻² entregou melhor desempenho, demonstrando que dose moderada de dopante, quando acoplada com FPL, pode render fotodetectores de silício de banda larga de baixo custo.

Introdução

Silício convencional sofre de banda proibida de 1,12 eV, limitando sua sensibilidade NIR intrínseca. Numerosas estratégias — desde texturização superficial a dopagem sub-banda — foram exploradas para superar esta barreira. Avanço do silício supersaturado com calcogênios, alcançado por irradiação a laser em atmosfera de SF₆, revelou que silício pode ser dopado além de sua solubilidade de equilíbrio, criando bandas de impureza que absorvem abaixo da banda proibida. Microestruturas cônicas formadas durante fusão a laser aprimoram ainda mais aprisionamento de luz, aumentando eficiência de absorção. Baseando-nos nestes conceitos, projetamos silício hiper-dopado com enxofre através de implantação iônica seguida por FPL de femtossegundo, e avaliamos resposta elétrica e óptica de fotodetectores de junção n⁺/p.

Métodos

Wafers de silício tipo p (100) polidos em um lado (300 µm espessura, 8-12 Ω cm resistividade) foram implantados com íons ³²S⁺ a 1,2 keV a profundidade ~40 nm. Doses de implantação de 1 × 10¹⁴, 1 × 10¹⁵ e 1 × 10¹⁶ íons cm⁻² usadas. FPL realizada usando trem de pulsos 1 kHz de 100 fs, 800 nm a fluência de 0,5 J cm⁻²; spot de laser 200 µm escaneado para padronizar quadrados 10 mm × 10 mm. Recocimento térmico rápido a 600 °C por 30 min em N₂ completou o processo.

Absorvância (A) derivada de reflectância (R) e transmitância (T) medidas com espectrofotômetro UV-Vis-NIR (Shimadzu UV3600) e esfera integradora (A = 1 - R - T). Concentração e mobilidade de portadores obtidas via efeito Hall a temperatura ambiente (método van der Pauw). Para sondar absorção sub-banda mediada por impurezas, espectroscopia de fotocorrente por transformada de Fourier realizada usando fonte globar FTIR picada e detecção lock-in.

Resultados e Discussão

Figura 1 mostra que FPL eleva dramaticamente absorvância nos intervalos visível e NIR comparado a amostras apenas implantadas. Recocimento, contudo, reduz absorção NIR devido a dois mecanismos principais: (1) erosão das nanoestruturas cônicas diminui aprisionamento de luz, e (2) átomos de enxofre são opticamente inativados através de rearranjo de ligações. A microestrutura superficial assim desempenha papel fundamental na resposta NIR aprimorada.

Como topologia superficial é idêntica entre amostras, absorvância NIR depende primariamente da concentração de enxofre. Trabalho anterior identificou nível relacionado a enxofre a ~614 meV, que fundamenta absorção NIR pronunciada. Pré-recocimento, absorvância relativamente insensível à dose: 10¹⁶ e 10¹⁵ íons cm⁻² rendem valores similares, enquanto 10¹⁴ íons cm⁻² mostra modesta diminuição. Pós-recocimento, queda de absorvância atribuída a difusão de dopante para fronteiras de grão e formação de aglomerados enxofre-defeito, reduzindo densidade de banda de impureza ativa.

Densidade de portadores superficial sobe com dose enquanto mobilidade cai, consistente com recombinação Shockley-Read-Hall: níveis de dopante mais altos encurtam tempo de vida de portador, aumentando probabilidade de recombinação. Recocimento reduz densidade superficial dramaticamente devido a difusão térmica.

Figura 3 apresenta espectros de fotorresposta. Pico distinto próximo a 960 nm reflete geração de pares elétron-lacuna no substrato Si, extraídos pelo campo embutido da junção n⁺/p. Na banda NIR (1100-1600 nm), dispositivo 10¹⁴ íons cm⁻² supera contrapartes de dose mais alta, alcançando maior fotocorrente. Dados Hall mostram concentração bulk ~10¹⁹ cm⁻³ e melhor mobilidade a esta dose, confirmando que trade-off ótimo entre absorção induzida por impureza e transporte de portadores rende desempenho superior do dispositivo.

Conclusões

Nosso estudo sistemático demonstra que hiper-dopagem com enxofre via implantação iônica seguida por FPL de femtossegundo aumenta significativamente absorvância NIR do silício e desempenho de fotodetectores. Dispositivo implantado a 1 × 10¹⁴ íons cm⁻² exibiu maior fotorresposta, confirmando equilíbrio crítico entre absorção induzida por impureza e mobilidade de portadores. Esta abordagem escalável e de baixo custo abre caminho para fotodiodos de silício de banda larga adequados para fotônica integrada e aplicações de colheita de energia.