飞秒激光诱导脉冲熔制硫超掺杂硅光电二极管的近红外性能增强

摘要

杂质介导的近红外（NIR）光响应是下一代光伏和光探测器的关键目标。本研究结合硫离子注入与飞秒脉冲激光熔化（PLM）制备了一系列n⁺/p光电二极管。所得超掺杂硅器件展现出显著增强的NIR吸收率和光电流。注入剂量1×10¹⁴ ions cm⁻²的器件表现最佳，证明适度掺杂剂量配合PLM可产出低成本宽带硅光探测器。

背景

常规硅因1.12 eV带隙限制了本征NIR灵敏度。从表面纹理到亚带隙掺杂的诸多策略被探索以突破此屏障。在SF₆气氛中激光辐照实现的硫超饱和硅突破表明，硅可掺杂超出平衡溶解度，形成杂质带实现亚带隙吸收。激光熔化形成的锥形微结构进一步增强光捕获，提升吸收效率。基于这些概念，我们通过离子注入结合飞秒PLM制备硫超掺杂硅，并评估n⁺/p结光探测器的电学和光学响应。

方法

单面抛光p型（100）硅片（300 µm厚，8-12 Ω·cm电阻率）注入1.2 keV ³²S⁺离子至~40 nm深度。注入剂量为1×10¹⁴、1×10¹⁵和1×10¹⁶ ions cm⁻²。PLM使用1 kHz、100 fs、800 nm脉冲序列，流密0.5 J cm⁻²；200 µm激光光斑扫描制备10 mm×10 mm方块。600 °C、30 min N₂中快速热退火完成工艺。

吸收率（A）由反射率（R）和透射率（T）推导，经UV-Vis-NIR分光光度计（Shimadzu UV3600）积分球测量（A=1-R-T）。载流子浓度和迁移率经室温霍尔效应（范德 Pauw法）获得。为探究杂质介导的亚带隙吸收，采用切碎FTIR炭化硅源和锁相检测进行傅里叶变换光电流谱测量。

结果与讨论

图1显示PLM显著提升可见光和NIR范围吸收率，优于注入态样品。退火则因两大机制降低NIR吸收：（1）锥形纳米结构侵蚀削弱捕光，（2）硫原子经键重排光学失活。微结构表面在增强NIR响应中起关键作用。

因表面拓扑相同，NIR吸收率主要取决于硫浓度。早期工作识别~614 meV硫相关能级，支撑显著NIR吸收。退火前，吸收率对剂量相对不敏感：10¹⁶和10¹⁵ ions cm⁻²给出相似值，10¹⁴ ions cm⁻²略降。退火后吸收率下降归因于掺杂原子向晶界扩散和硫-缺陷簇形成，降低活性杂质带密度。

载流子面密度随剂量升高而迁移率下降，符合Shockley-Read-Hall复合：高掺杂缩短载流子寿命，增加复合概率。退火因热扩散大幅降低面密度。

图3展示光响应谱。960 nm附近明显峰值反映Si衬底中电子-空穴对生成，经n⁺/p结内建场提取。NIR波段（1100-1600 nm）中，10¹⁴ ions cm⁻²器件超越高剂量对应器件，实现最高光电流。霍尔数据显示该剂量下体浓度~10¹⁹ cm⁻³且迁移率最佳，确认吸收与载流子传输的最优权衡产生卓越器件性能。

结论

系统研究表明，离子注入结合飞秒PLM的硫超掺杂显著增强硅NIR吸收率和光探测器性能。1×10¹⁴ ions cm⁻²注入器件展现最高光响应，确认杂质诱导吸收与载流子迁移率间关键平衡。这种可扩展、低成本方法为集成光子学和能量收集应用的宽带硅光电二极管铺平道路。

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