Réduction de la durée de vie des porteurs de charge dans le silicium noir par implantation ionique

Abstract

Le but de ce projet est d’étudier l’effet des défauts cristallins sur les propriétés optoélectroniques de photodétecteurs fabriqué à partir de « silicium noir », c’est-à-dire du silicium dopé et microstructuré par impulsions laser femtoseconde, ce qui lui donne une apparence noire mate caractéristique. Des échantillons de silicium noir ont été recuits puis implantés avec des ions ayant une énergie de 300 keV (Si+), 1500 keV (Si+) ou 2000 keV (H+). Trois fluences pour chaque énergie d’implantation ont été utilisées (1E11, 1E12, ou 1E13 ions/cm2) ce qui modifie le matériau en ajoutant des défauts cristallins à des profondeurs et concentrations variées. Neuf photodétecteurs ont été réalisés à partir de ces échantillons implantés, en plus d’un détecteur-contrôle (non-implanté). La courbe de courant-tension, la sensibilité spectrale et la réponse en fréquence ont été mesurées pour chaque détecteur afin de les comparer. Les détecteurs ont une relation de courant-tension presque ohmique, mais ceux implantés à plus haute fluence montrent une meilleure rectification. Les implantations ont eu pour effet, en général, d’augmenter la sensibilité des détecteurs. Par exemple, l’efficacité quantique externe passe de (0,069±0,001) % à 900 nm pour le détecteur-contrôle à (26,0±0,5) % pour le détecteur ayant reçu une fluence de 1E12 cm-2 d’ions de silicium de 1500 keV. Avec une tension appliquée de -0,50 V, la sensibilité est améliorée et certains détecteurs montrent un facteur de gain de photocourant supérieur à l’unité, ce qui implique un mécanisme de multiplication (avalanche ou photoconductivité). De même, la fréquence de coupure a été augmentée par l’implantation. Une technique purement optique a été mise à l’essai pour mesurer sans contacts la durée de vie effective des porteurs, dans le but d’observer une réduction de la durée de vie causée par les défauts. Utilisant le principe de la réflexion photo-induite résolue en fréquence, le montage n’a pas réuni toutes les conditions expérimentales nécessaires à la détection du signal.

The goal of this project is to study the effect of crystalline damage on the optoelectronic properties of photodetectors made from “black silicon” (i.e. femtosecond-laser microstructured silicon, which make it appear black). Black silicon samples were annealed then implanted with either 300 keV Si+, 1500 keV Si+ or 2000 keV H+ ions. The fluence used for the implantation was 1E11, 1E12 or 1E13 ion/cm2, resulting in nine different samples with a crystalline damage distribution of various depth and concentration. Photodetectors were fabricated on these samples, together with a control detector made from a non-implanted black silicon sample and then characterized. The I-V curves, spectral responsivities and frequency responses of the detectors were measured in short-circuit or under bias and compared. The detectors display an approximately ohmic behavior, but those implanted at a higher fluence show a slightly better current rectification. The implantation had a strong effect on the responsivity. The external quantum efficiency increased from (0.069 ± 0.001) % at 900 nm for the control detector up to (26.0 ± 0.5) % for the 1E12 cm-2, 1500 keV Si+ detector. With an applied bias of -0.50 V, the responsivity is increased and some detectors exhibit above unity photocurrent gain. Similarly, the cutoff frequencies of the implanted detectors are higher. A contactless experiment was attempted for the measurement of the effective carrier lifetime. The implantation damage was expected to reduce the carrier lifetime. The setup didn’t meet all experimental conditions required to detect the signal using frequency-domain photo-induced reflection.