Absorção no Infravermelho Próximo Aumentada via Fabricação em Duas Etapas de Silício Negro Estruturado e Suas Aplicações em Dispositivos

Resumo

O silício é a base da indústria de semicondutores, ainda sua alta reflectância inerente e banda larga limitam desempenho em fotodetecção no infravermelho próximo (NIR). Neste trabalho, empregamos uma abordagem de fabricação em duas etapas — gravação reativa profunda de íons (DRIE) seguida por implantação iônica por imersão em plasma (PIII) — para criar silício negro microestruturado (BSi) em silício cristalino (C-Si). A superfície dopada com enxofre resulta em banda estreita e absortância marcadamente aumentada, particularmente entre 800 e 2000 nm, com máximo de 83%. Quando incorporada como superfície traseira de um fotodiodo Si-PIN, a camada BSi entrega responsividade de 0,53 A W⁻¹ a 1060 nm, destacando seu potencial para detecção NIR de alta sensibilidade.

Introdução

Silício negro micro e nanoestruturado tornou-se ponto focal para aumentar absorção de luz nos espectros visível e NIR. DRIE, técnica cíclica de gravação-passivação empregando SF₆ para gravação isotrópica e C₄F₈ para passivação de paredes laterais, facilita criação de estruturas de alto aspecto cuja geometria é governada por dimensões da máscara, fluxos de gás, potência do eletrodo e duração do ciclo. Subsequente implantação iônica dopa o silício gravado, introduzindo átomos de enxofre que geram estados sub-banda e ampliam o espectro de absorção [1-11]. Estas superfícies engenheiradas encontraram aplicações em fotodetectores sensíveis, células fotovoltaicas, sensores bioquímicos, displays e comunicações ópticas [12-20]. Em nosso estudo anterior, investigamos um detector Si-PIN com BSi na superfície frontal, notando uma compensação entre sensibilidade NIR e responsividade em luz visível devido a desafios de coleta de portadores. Isso motivou a investigação atual de BSi na superfície traseira para simultaneamente aumentar sensibilidade NIR e manter desempenho visível aceitável.

O presente artigo relata o aumento de absortância e estreitamento de banda alcançados por processo de duas etapas DRIE-PIII. Analisamos como diferentes parâmetros de gravação afetam absortância de 400 a 2000 nm e avaliamos detector Si-PIN incorporando BSi na superfície traseira para responsividade em 400-1100 nm.

Métodos

A Figura 1a ilustra os arranjos cilíndricos uniformes e periódicos selecionados para simulações ópticas usando software FDTD. A Figura 1b mostra como a absortância varia com quatro modelos de arranjo cilíndrico que compartilham diâmetro (D = 4 µm) mas diferem no espaçamento central (T₁ = 12 µm, T₂ = 10 µm, T₃ = 8 µm, T₄ = 6 µm) após otimização.

Modelo de simulação óptica (a) e resultados de simulação (b) de silício microestruturado

Baseado na simulação, três máscaras de fotolitografia foram projetadas: máscara I (D = 4 µm, T = 6 µm), máscara II (D = 4 µm, T = 8 µm) e máscara III (D = 4 µm, T = 10 µm). Um wafer de silício tipo-n de 15 × 15 cm² (500 µm espesso, resistividade 2500-3000 Ω cm) recebeu fotorresiste NR9-1500PY e foi padronizado com os arranjos circulares. O wafer foi gravado em câmara DRIE (ICP-100D) usando ciclos SF₆ (gravação) e C₄F₈ (passivação) por 30, 70 ou 100 repetições. Pós-gravação, fotorresiste residual foi removido sob plasma de oxigênio para produzir superfícies limpas. Para aumentar ainda mais a absortância NIR, amostras da máscara III foram submetidas a PIII com dose de enxofre de 1,0 × 10¹⁵ cm⁻² a 800 eV.

Diagrama esquemático do tamanho da máscara

Morfologia foi examinada com SEM de emissão de campo JSM-7500F. Absortância foi medida à temperatura ambiente usando espectrômetro de fibra óptica NIR2500 acoplado a esfera integradora Idea Optics (IS-20-5). Responsividade do detector foi determinada com medidor de potência óptica OPHIR Vega, chopper óptico Scitec Instruments (Model-300CD) e Keithley 2636B sob condições de escuro. Todas as medições foram calibradas e repetidas em 4-6 amostras para garantir confiabilidade.

Resultados e Discussão

A Figura 3 apresenta imagens SEM dos arranjos microestruturados alinhados para os três tamanhos de máscara. A vista superior desvia de círculos perfeitos devido à interação entre gravação DRIE e fidelidade da máscara. A profundidade de gravação aumenta com contagem de ciclos, alcançando ~1,87 µm (30 ciclos), 2,35 µm (70 ciclos) e 3,15 µm (100 ciclos). Gravação lateral, apesar da passivação de paredes laterais, leva a pilares ligeiramente cônicos, confirmando a necessidade de ajustar finamente litografia e parâmetros de ciclo para morfologia ótima.

Arranjos típicos de silício microestruturado feitos por DRIE para diferentes tamanhos de máscara. a Máscara I. b Máscara II. c Máscara III

Vistas seccionais (Figura 4) confirmam o aumento progressivo da altura dos pilares com número de ciclos. Embora a camada de passivação do DRIE proteja paredes laterais, alguma gravação lateral permanece, influenciando a forma final.

Vistas seccionais de amostras da máscara III fabricadas para diferentes tempos de ciclo. (a) 30, (b) 70, e (c) 100

A Figura 5a mostra absortância dos arranjos microestruturados sem PIII. Comparado a C-Si nu, os arranjos gravados aumentam absortância em 400-2000 nm, com amostra de 100 ciclos alcançando até 70% no NIR. Reflexões internas múltiplas dentro dos pilares aumentam o caminho óptico, aumentando absorção. No entanto, absortância acima de 1000 nm permanece modesta, motivando dopagem com enxofre. Após PIII, a Figura 5b revela aumento pronunciado de absortância em todo o espectro. O pico de absortância da amostra de 100 ciclos sobe para 83%, e a absortância média atinge 62%. Implantação de enxofre introduz bandas de impureza que se sobrepõem, estreitando a banda efetiva e permitindo absorção de fótons sub-banda [10,11]. Isto é evidente da redução de banda de 1,12 eV (C-Si) para 1,045 eV, 1,033 eV e 1,025 eV para 30, 70 e 100 ciclos, respectivamente (Figura 7). A análise empregou teoria de Kubelka-Munk e gráficos de Tauc para extrair estes valores. A Figura 6 ilustra o mecanismo de multi-reflexão dentro dos arranjos de pilares, explicando a absortância aumentada.

Absortância de C-Si e silício negro fabricado por diferentes tempos de ciclo antes (a) e após PIII (b) e comparação de amostras de 100 ciclos (c)

Caminho de transmissão da luz incidente na superfície de silício microestruturado

Bandas de C-Si (a) e silício negro feito por diferentes tempos de ciclo: (b) 30, (c) 70, (d) 100

Integrar o BSi de superfície traseira em um fotodiodo Si-PIN (Figura 8a) envolveu: (1) oxidar ambos lados de wafer monocristalino tipo-n; (2) difundir boro para formar camada P na frente; (3) depositar Si₃N₄ e polir o verso a ~200 µm; (4) dopar camada N⁺ e crescer pilares BSi sobre ela; e (5) padronizar contatos metálicos. Dispositivo 2, com área fotossensível de 2 mm de diâmetro, exibe corrente de escuro comparável a fotodiodos Si-PIN comerciais. Sob iluminação 1060 nm, sua responsividade alcança 0,53 A W⁻¹, melhoria marcante sobre o S1336-44BK comercial (dispositivo 1). Notavelmente, a responsividade do dispositivo 2 na faixa 680-1100 nm supera o dispositivo 1 em ~60 nm, confirmando a eficácia do BSi de superfície traseira em estender sensibilidade NIR.

Imagem do detector (a), corrente de escuro (b), curva I-V sob iluminação 1060 nm (c), e responsividades de dois detectores diferentes (d): dispositivo 1 da ref. [22] e dispositivo 2 baseado nos resultados do presente artigo. O inseto de d mostra a estrutura do dispositivo

A limitada melhoria do dispositivo 2 em responsividade de luz visível decorre do fato de que fótons acima da banda de C-Si são absorvidos na camada P frontal, tornando o BSi de superfície traseira largamente irrelevante para coleta de portadores. Em contraste, fótons NIR penetram a camada frontal, são absorvidos na camada N, e os portadores resultantes são eficientemente coletados pelo contato N⁺ sob viés reverso, levando ao ganho substancial de responsividade.

Embora o presente estudo demonstre rota viável para fotodiodos NIR-aprimorados, otimização adicional de parâmetros DRIE, energias de implantação iônica e arquiteturas de dispositivo poderiam render desempenho ainda maior e aplicabilidade mais ampla.

Conclusões

Fabricamos com sucesso silício negro microestruturado via processo de duas etapas DRIE-PIII. Três geometrias de pilares (máscara I: D = 4 µm, T = 6 µm; máscara II: D = 4 µm, T = 8 µm; máscara III: D = 4 µm, T = 10 µm) resultaram em alturas de 1,87, 2,35 e 3,15 µm, respectivamente. Estas estruturas alcançaram absortância de pico de 83% e média de 62% em 400-2000 nm, atribuída a aumento do caminho óptico e banda estreitada por dopagem com enxofre. Incorporar o BSi como superfície traseira de um fotodiodo Si-PIN produziu responsividade de 0,53 A W⁻¹ a 1060 nm e 0,31 A W⁻¹ a 1100 nm, superando marcadamente detector comercial S1336-44BK no NIR. Esta abordagem oferece caminho promissor para fotodetectores NIR de alta sensibilidade.