Hyperdoped black silicon fabricated with femtosecond laser irradiation has attracted interest for applications in infrared photodetectors and intermediate band photovoltaics due to its sub-bandgap optical absorptance and light-trapping surface. However, hyperdoped black silicon typically has an amorphous and polyphasic polycrystalline surface that can interfere with carrier transport, electrical rectification, and intermediate band formation. Past studies have used thermal annealing to obtain high crystallinity in hyperdoped black silicon, but thermal annealing causes a deactivation of the sub-bandgap optical absorptance. In this study, nanosecond laser annealing is used to obtain high crystallinity and remove pressure-induced phases in hyperdoped black silicon while maintaining high sub-bandgap optical absorptance and a light-trapping surface morphology. Furthermore, it is shown that nanosecond laser annealing reactivates the sub-bandgap optical absorptance of hyperdoped black silicon after deactivation by thermal annealing. Thermal annealing and nanosecond laser annealing can be combined in sequence to fabricate hyperdoped black silicon that simultaneously shows high crystallinity, high above-bandgap and sub-bandgap absorptance, and a rectifying electrical homojunction. Such nanosecond laser annealing could potentially be applied to non-equilibrium material systems beyond hyperdoped black silicon.

1.
S. H.
Pan
,
D.
Recht
,
S.
Charnvanichborikarn
,
J. S.
Williams
, and
M. J.
Aziz
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
121913
(
2011
).
2.
H. M.
Branz
,
V. E.
Yost
,
S.
Ward
,
K. M.
Jones
,
B.
To
, and
P.
Stradins
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
231121
(
2009
).
3.
J. E.
Carey
,
C. H.
Crouch
,
M.
Shen
, and
E.
Mazur
,
Opt. Lett.
30
,
1773
(
2005
).
4.
A. J.
Said
,
D.
Recht
,
J. T.
Sullivan
,
J. M.
Warrender
,
T.
Buonassisi
,
P. D.
Persans
, and
M. J.
Aziz
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
073503
(
2011
).
5.
A.
Luque
,
A.
Marti
, and
C.
Stanley
,
Nat. Photonics
6
,
146
(
2012
).
6.
M.-J.
Sher
,
M. T.
Winkler
, and
E.
Mazur
,
MRS Bull.
36
,
439
(
2011
).
7.
C. H.
Crouch
,
J. E.
Carey
,
J. M.
Warrender
,
M. J.
Aziz
,
E.
Mazur
, and
F. Y.
Genin
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
1850
(
2004
).
8.
M.
Tabbal
,
T.
Kim
,
D.
Woolf
,
B.
Shin
, and
M.
Aziz
,
Appl. Phys. A
98
,
589
(
2010
).
9.
M. J.
Smith
,
M. T.
Winkler
,
M.-J.
Sher
,
Y.-T.
Lin
,
E.
Mazur
, and
S.
Gradečak
,
Appl. Phys. A
105
,
795
(
2011
).
10.
M. J.
Smith
,
M.-J.
Sher
,
B.
Franta
,
Y.-T.
Lin
,
E.
Mazur
, and
S.
Gradecak
,
Appl. Phys. A
114
,
1009
(
2014
).
11.
T. G.
Kim
,
J. M.
Warrender
, and
M. J.
Aziz
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
241902
(
2006
).
12.
B. P.
Bob
,
A.
Kohno
,
S.
Charnvanichborikarn
,
J. M.
Warrender
,
I.
Umezu
,
M.
Tabbal
,
J. S.
Williams
, and
M. J.
Aziz
,
J. Appl. Phys.
107
,
123506
(
2010
).
13.
M. T.
Winkler
,
M.-J.
Sher
,
Y.-T.
Lin
,
M. J.
Smith
,
H.
Zhang
,
S.
Gradečak
, and
E.
Mazur
,
J. Appl. Phys.
111
,
093511
(
2012
).
14.
S.
Koynov
,
M. S.
Brandt
, and
M.
Stutzmann
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
203107
(
2006
).
15.
L. L.
Ma
,
Y. C.
Zhou
,
N.
Jiang
,
X.
Lu
,
J.
Shao
,
W.
Lu
,
J.
Ge
,
X. M.
Ding
, and
X. Y.
Hou
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
171907
(
2006
).
16.
D.
Zielke
,
D.
Sylla
,
T.
Neubert
,
R.
Brendel
, and
J.
Schmidt
,
IEEE J. Photovoltaics
3
,
656
(
2013
).
17.
M.
Abbott
and
J.
Cotter
,
Prog. Photovoltaics
14
,
225
(
2006
).
18.
B. K.
Nayak
,
V. V.
Iyengar
, and
M. C.
Gupta
,
Prog. Photovoltaics
19
,
631
(
2011
).
19.
M.
Halbwax
,
T.
Sarnet
,
P.
Delaporte
,
M.
Sentis
,
H.
Etienne
,
F.
Torregrosa
,
V.
Vervisch
,
I.
Perichaud
, and
S.
Martinuzzi
,
Thin Solid Films
516
,
6791
(
2008
).
20.
E.
Ertekin
,
M. T.
Winkler
,
D.
Recht
,
A. J.
Said
,
M. J.
Aziz
,
T.
Buonassisi
, and
J. C.
Grossman
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
026401
(
2012
).
21.
M. T.
Winkler
,
D.
Recht
,
M.-J.
Sher
,
A. J.
Said
,
E.
Mazur
, and
M. J.
Aziz
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
178701
(
2011
).
22.
J. T.
Sullivan
,
R. G.
Wilks
,
M. T.
Winkler
,
L.
Weinhardt
,
D.
Recht
,
A. J.
Said
,
B. K.
Newman
,
Y.
Zhang
,
M.
Blum
,
S.
Krause
,
W. L.
Yang
,
C.
Heske
,
M. J.
Aziz
,
M.
Bär
, and
T.
Buonassisi
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
142102
(
2011
).
23.
M.-J.
Sher
,
C. B.
Simmons
,
J. J.
Krich
,
A. J.
Akey
,
M. T.
Winkler
,
D.
Recht
,
T.
Buonassisi
,
M. J.
Aziz
, and
A. M.
Lindenberg
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
053905
(
2014
).
24.
C. B.
Simmons
,
A. J.
Akey
,
J. P.
Mailoa
,
D.
Recht
,
M. J.
Aziz
, and
T.
Buonassisi
,
Adv. Funct. Mater.
24
,
2852
(
2014
).
25.
P. D.
Persans
,
N. E.
Berry
,
D.
Recht
,
D.
Hutchinson
,
H.
Peterson
,
J.
Clark
,
S.
Charnvanichborikarn
,
J. S.
Williams
,
A.
DiFranzo
,
M. J.
Aziz
, and
J. M.
Warrender
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
111105
(
2012
).
26.
I.
Umezu
,
J. M.
Warrender
,
S.
Charnvanichborikarn
,
A.
Kohno
,
J. S.
Williams
,
M.
Tabbal
,
D. G.
Papazoglou
,
X.-C.
Zhang
, and
M. J.
Aziz
,
J. Appl. Phys.
113
,
213501
(
2013
).
27.
M. A.
Sheehy
,
L.
Winston
,
J. E.
Carey
,
C. M.
Friend
, and
E.
Mazur
,
Chem. Mater.
17
,
3582
(
2005
).
28.
M. J.
Smith
,
Y.-T.
Lin
,
M.-J.
Sher
,
M. T.
Winkler
,
E.
Mazur
, and
S.
Gradečak
,
J. Appl. Phys.
110
,
053524
(
2011
).
29.
M. J.
Smith
,
M.-J.
Sher
,
B.
Franta
,
Y.-T.
Lin
,
E.
Mazur
, and
S.
Gradečak
,
J. Appl. Phys.
112
,
083518
(
2012
).
30.
C. H.
Crouch
,
J. E.
Carey
,
M.
Shen
,
E.
Mazur
, and
F. Y.
Génin
,
Appl. Phys. A
79
,
1635
(
2004
).
31.
C. B.
Simmons
,
A. J.
Akey
,
J. J.
Krich
,
J. T.
Sullivan
,
D.
Recht
,
M. J.
Aziz
, and
T.
Buonassisi
,
J. Appl. Phys.
114
,
243514
(
2013
).
32.
B. K.
Newman
,
M.-J.
Sher
,
E.
Mazur
, and
T.
Buonassisi
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
251905
(
2011
).
33.
J. P.
Mailoa
,
A. J.
Akey
,
C. B.
Simmons
,
D.
Hutchinson
,
J.
Mathews
,
J. T.
Sullivan
,
D.
Recht
,
M. T.
Winkler
,
J. S.
Williams
,
J. M.
Warrender
,
P. D.
Persans
,
M. J.
Aziz
, and
T.
Buonassisi
,
Nat. Commun.
5
,
3011
(
2014
).
34.
K.-M.
Guenther
,
T.
Gimpel
,
J. W.
Tomm
,
S.
Winter
,
A.
Ruibys
,
S.
Kontermann
, and
W.
Schade
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
042107
(
2014
).
35.
M. J.
Aziz
,
Metall. Mater. Trans. A
27
,
671
(
1996
).
36.
J. A.
Kittl
,
P. G.
Sanders
,
M. J.
Aziz
,
D. P.
Brunco
, and
M. O.
Thompson
,
Acta Mater.
48
,
4797
(
2000
).
37.
R. L. C.
Vink
,
G. T.
Barkema
, and
W. F.
van der Weg
,
Phys. Rev. B
63
,
115210
(
2001
).
38.
H.
Richter
,
Z. P.
Wang
, and
L.
Ley
,
Solid State Commun.
39
,
625
(
1981
).
39.
J.
Mayer
,
L. A.
Giannuzzi
,
T.
Kamino
, and
J.
Michael
,
MRS Bull.
32
,
400
(
2007
).
40.
B. R.
Tull
,
J. E.
Carey
,
M. A.
Sheehy
,
C.
Friend
, and
E.
Mazur
,
Appl. Phys. A
83
,
341
(
2006
).
41.
N. G.
Semaltianos
,
S.
Logothetidis
,
W.
Perrie
,
S.
Romani
,
R. J.
Potter
,
S. P.
Edwardson
,
P.
French
,
M.
Sharp
,
G.
Dearden
, and
K. G.
Watkins
,
J. Nanopart. Res.
12
,
573
(
2010
).
42.
H. C.
Card
and
E. H.
Rhoderick
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
4
,
1589
(
1971
).
43.
G. L.
Pearson
and
B.
Sawyer
,
Proc. IRE
40
,
1348
(
1952
).
44.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4937149 for figures showing effects of ns laser annealing on hyperdoped black silicon with 1-μm-scale surface structures.
45.
M. O.
Thompson
,
J. W.
Mayer
,
A. G.
Cullis
,
H. C.
Webber
,
N. G.
Chew
,
J. M.
Poate
, and
D. C.
Jacobson
,
Phys. Rev. Lett.
50
,
896
(
1983
).
46.
A. G.
Cullis
,
D. T. J.
Hurle
,
H. C.
Webber
,
N. G.
Chew
,
J. M.
Poate
,
P.
Baeri
, and
G.
Foti
,
Appl. Phys. Lett.
38
,
642
(
1981
).
47.
A. J.
Akey
,
D.
Recht
,
J. S.
Williams
,
M. J.
Aziz
, and
T.
Buonassisi
,
Adv. Funct. Mater.
25
,
4642
(
2015
).
48.
M. O.
Thompson
,
G. J.
Galvin
,
J. W.
Mayer
,
P. S.
Peercy
,
J. M.
Poate
,
D. C.
Jacobson
,
A. G.
Cullis
, and
N. G.
Chew
,
Phys. Rev. Lett.
52
,
2360
(
1984
).
49.
G.
Haberfehlner
,
M. J.
Smith
,
J.-C.
Idrobo
,
G.
Auvert
,
M.-J.
Sher
,
M. T.
Winkler
,
E.
Mazur
,
N.
Gambacorti
,
S.
Gradečak
, and
P.
Bleuet
,
Microsc. Microanal.
19
,
716
(
2013
).
50.
J.
Förster
and
H.
Vogt
, “
Excimer-laser annealing of amorphous silicon layers
,” in
>Proceedings of the 2011 COMSOL Conference
,
Stuttgart, Germany
,
2011
.
51.
J.
Narayan
,
C. W.
White
,
M. J.
Aziz
,
B.
Stritzker
, and
A.
Walthuis
,
J. Appl. Phys.
57
,
564
(
1985
).
52.
C. J.
Shih
,
C. H.
Fang
,
C. C.
Lu
,
M. H.
Wang
,
M. H.
Lee
, and
C. W.
Lan
,
J. Appl. Phys.
100
,
053504
(
2006
).
53.
M. A.
Green
and
M. J.
Keevers
,
Prog. Photovoltaics
3
,
189
(
1995
).
54.
N. H.
Nickel
,
Laser Crystallization of Silicon-Fundamentals to Devices
(
Academic Press
,
2003
), Vol. 75.
55.
I.
De Wolf
,
Semicond. Sci. Technol.
11
,
139
(
1996
).
56.
Y.
Ma
,
T.
Yasuda
, and
G.
Lucovsky
,
J. Vac. Sci. Technol., A
11
,
952
(
1993
).
57.
J. T.
Sullivan
,
C. B.
Simmons
,
J. J.
Krich
,
A. J.
Akey
,
D.
Recht
,
M. J.
Aziz
, and
T.
Buonassisi
,
J. Appl. Phys.
114
,
103701
(
2013
).
58.
Y.-T.
Lin
,
N.
Mangan
,
S.
Marbach
,
T. M.
Schneider
,
G.
Deng
,
S.
Zhou
,
M. P.
Brenner
, and
E.
Mazur
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
062105
(
2015
).
59.
M.-J.
Sher
,
N. M.
Mangan
,
M. J.
Smith
,
Y.-T.
Lin
,
S.
Marbach
,
T. M.
Schneider
,
S.
Gradečak
,
M. P.
Brenner
, and
E.
Mazur
,
J. Appl. Phys.
117
,
125301
(
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.