Hocheffizienter Dual-Vier-Quadrant Nahinfrarot-Photodetektor mit Nanometer-Skala Schwarzsilizium

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wird ein neues Herstellungsverfahren für Nanometer-Schwarzsilizium vorgeschlagen, mit dem hoch lichtfängendes Selen-dotiertes Schwarzsilizium-Material durch Nanosekunden-Pulslaserablation von hochwiderständigem Silizium, beschichtet mit Selen-Film, in HF-Gasatmosphäre hergestellt wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die durchschnittliche Absorptivität des 400–2200 nm Bands vor dem Glühen 96,81% beträgt und die Absorptivität nach dem Glühen bei 600 °C bei 81,28% erhalten bleibt. Gleichzeitig wird das unter der neuen Technologie hergestellte Schwarzsilizium in einem Doppel-Vier-Quadrant-Photodetektor verwendet; die Ergebnisse zeigen, dass bei einer Sperrspannung von 50 V die durchschnittliche einheitliche Responsivität 0,528 A/W bei 1060 nm und 0,102 A/W bei 1180 nm beträgt, und der durchschnittliche Dunkelstrom 2 nA an den inneren Quadranten und 8 nA an den äußeren Quadranten beträgt. Der auf nahinfrarot-verstärktem Schwarzsilizium basierende Dual-Vier-Quadrant-Photodetektor bietet die Vorteile hoher Responsivität, niedrigem Dunkelstrom, schnellem Ansprechverhalten und geringem Crosstalk, weshalb er für eine Reihe von Anwendungen geeignet ist, wie Nachtsichtdetektion und medizinische Bereiche.

Einleitung

Nahinfrarot-verstärkte Photodetektoren [1,2,3] sind schwierig, eine zufriedenstellende Leistung im Vergleich zu Photodetektoren bei anderen Wellenlängen [4,5,6] zu erzielen, da sie durch Antwortbereich, Ansprechrate, Dunkelstrom und Crosstalk im nahinfraroten Band begrenzt sind. Seit Carey jedoch 2005 den ersten Schwarzsilizium-Infrarotdetektor entwickelte, begann sich der auf Schwarzsilizium-Materialien basierende Nahinfrarot-Photodetektor rasant zu entwickeln. Die Leistung des von Carey entwickelten Schwarzsiliziums übertrifft bei weitem die Leistung von monokristallinem Silizium-Infrarotdetektoren. Kurz darauf fügten einige Forscher Passivierungstechnologie zum Schwarzsilizium-Detektor hinzu, um dessen Dunkelstrom zu reduzieren. Schwarzsilizium [7,8,9] wurde aufgrund seiner hohen Absorptionsrate und des breiten Absorptionsspektrums zum bevorzugten Material für siliziumbasierte nahinfrarot-verstärkte Photodetektoren.

Als eines der wichtigsten Materialien in der Halbleiterindustrie ist es entscheidend, die Verarbeitungsqualität von Schwarzsilizium-Materialien gut zu managen [10,11,12,13,14]. Die Herstellung von Schwarzsilizium mit breitem Spektrum, hoher Absorption und geringen Defekten ist essenziell für hochleistungsfähige Nahinfrarot-Photodetektoren. Es gibt einige Forschungen zur Herstellung von Schwarzsilizium-Materialien durch Verwendung von Femtosekundenlaser [15, 16] Scannen in SF6-Atmosphäre [17, 18], und das Schwarzsilizium-Material im Ultraviolett- bis Nahinfrarot-Band kann mehr als 90% Absorption erreichen [19]. Allerdings wird die Absorption im Nahinfrarot-Bereich nach Hochtemperatur-Glühen auf etwa 50% reduziert. Gleichzeitig fanden Forscher, dass die Absorption von Se- und Te-dotiertem Schwarzsilizium durch Glühen im Vergleich zu S-dotiertem Schwarzsilizium signifikant reduziert wird, aber unter dem Dotierprozess von festem Se- und Te-Film wird das Schwarzsilizium-Material in Hügelform hergestellt, und das Lichtfangen ist nicht gut genug [20, 21].

In dieser Arbeit wird ein neues Herstellungsverfahren für Nanometer-Schwarzsilizium vorgeschlagen, mit dem hoch lichtfängendes Selen-dotiertes Schwarzsilizium-Material durch Nanosekunden-Pulslaserablation von hochwiderständigem Silizium, beschichtet mit Selen-Film, in HF-Gasatmosphäre hergestellt wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die durchschnittliche Absorptivität des 400–2200 nm Bands vor dem Glühen 96,81% beträgt und die Absorptivität nach dem Glühen bei 600 °C bei 81,28% erhalten bleibt. Gleichzeitig wird das unter der neuen Technologie hergestellte Schwarzsilizium in einem Doppel-Vier-Quadrant-Photodetektor verwendet; die Ergebnisse zeigen, dass die durchschnittliche einheitliche Responsivität 0,528 A/W bei 1060 nm und 0,102 A/W bei 1180 nm bei einer Vorspannung von 50 V beträgt, und der durchschnittliche Dunkelstrom 2 nA an den inneren Quadranten und 8 nA an den äußeren Quadranten beträgt. Der auf nahinfrarot-verstärktem Schwarzsilizium basierende Dual-Vier-Quadrant-Photodetektor bietet die Vorteile hoher Responsivität, niedrigem Dunkelstrom, schnellem Ansprechverhalten und geringem Crosstalk, weshalb er für eine Reihe von Anwendungen geeignet ist, wie Nachtsichtdetektion und medizinische Bereiche.

Methode

Der Photodetektor wurde durch folgende Prozesse hergestellt und getestet. Zuerst wurde das Schwarzsilizium-Material hergestellt: N-Typ hochwiderständiges Silizium-Wafer wurde in 5 cm × 5 cm Proben geschnitten, und die Probe wurde mit Standardreinigungsverfahren gereinigt und in Stickstoffatmosphäre trockengeblasen. Dann wurde Se-Pulver mit 99,99% Reinheit als Verdampfungsquelle verwendet, und ein Se-Film wurde auf die Oberfläche der Si-Probe durch Vakuumbeschichtungsmaschine abgeschieden. HF-Gas wurde im Femtosekundenlaser-Ätzprozess eingeführt, und die Verarbeitungsparameter sind wie folgt: Scangeschwindigkeit: 1 mm/s; Laserleistungsdichte: 4,5 kJ/m²; HF-Gasdruck: 9 × 10⁴ Pa. Der in dieser Arbeit verwendete Femtosekundenlaser ist der Ti:Saphir-Femtosekundenlaserverstärker, hergestellt von der Spectra-Physics Corporation. Zweitens wurde der Doppel-Vier-Quadrant-Photodetektor mit Schwarzsilizium-Material hergestellt; die schematische Struktur des Dual-Vier-Quadrant-Photodetektors und die spezifischen Herstellungsprozesse sind in Abb. 1 und 2 dargestellt. Zuletzt wurden die Morphologien des Schwarzsiliziums mit einem Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (REM) charakterisiert, und die spektralen Eigenschaften des Materials wurden mit einem NIR2500 Faseroptik-Spektrometer und Integralsphäre getestet. Gleichzeitig wurden der Antwortstrom, die Dunkelstromcharakteristik und die Anstiegszeit des Photodetektors getestet. Während des Tests ist die Lichtquelle ein Laser des Amonics-Bands, der Dunkelstrom wird gemessen, indem eine schwarze Box zum Detektor hinzugefügt wird, um den Strom unter Sperrspannung zu messen, und die Ansprechzeit wird gemessen, indem die Änderung des Photostroms durch ein Oszilloskop abgelesen wird, wenn ein Laserpuls-Signal auf den Detektor einwirkt.

Ergebnisse und Diskussion

In dieser Arbeit wird hoch lichtfängendes Selen-dotiertes Schwarzsilizium-Material durch Nanosekunden-Pulslaserablation von hochwiderständigem Silizium, beschichtet mit Selen-Film, in HF-Gasatmosphäre hergestellt. Einerseits wird der Effekt des Glühens auf Schwarzsilizium reduziert, weil die Se-Beschichtung übersättigt ist anstatt traditionell S-dotiertes Silizium zu verwenden. Die Diffusionsrate von S-Atomen aus dem Si-Gitter ist schneller als Se; daher ist der Glüheffekt schlecht. Andererseits wird HF bei hoher Temperatur in H⁺ und F⁻ zerlegt, und das F-Ion interagiert mit dem Siliziummaterial, das bei hoher Temperatur durch Femtosekundenlaser ablatiert wird, um flüchtiges SiF₄ zu produzieren; auf diese Weise wird die Oberfläche des Materials kontinuierlich geätzt, was eine nanoskalige Pyramidenstruktur bildet, die durch Laserätzen erzeugte nanoskalige Pyramide reduziert effektiv die Reflektivität des Schwarzsiliziums. Gleichzeitig optimiert die Oberflächenpassivierung die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger und reduziert die Defektdichte des Schwarzsilizium-Materials und unnötige Rekombination von photogenerierten Ladungsträgern. Femtosekundenlaserätzen ist einfach und reproduzierbar, wodurch die Gleichmäßigkeit des Schwarzsilizium-Arrays gut ist, während die Bandlücke des Schwarzsiliziums stark reduziert werden kann. Durch weitere Untersuchung des Einflusses der Gasatmosphäre, der Laserleistung und der Laserscangeschwindigkeit auf die Eigenschaften des Schwarzsilizium-Materials kann der optimierte Prozessfluss erhalten werden. Das Schwarzsilizium zeigt eine signifikante Verbesserung der Absorption nach dem Glühen, hergestellt durch den neuen Prozess.

Der Dual-Vier-Quadrant-Photodetektor wird mit Schwarzsilizium-Material unter dem neuen Prozess hergestellt; die in dieser Arbeit vorgeschlagene schematische Struktur ist in Abb. 1 dargestellt. Der vorgeschlagene Photodetektor besteht aus photosensitiver Schicht, Isolationsnut und Schwarzsilizium-Schicht. Der Außendurchmesser der photosensitiven Oberfläche beträgt 8 mm, während der Innendurchmesser 2 mm beträgt, und die photosensitiven Bereiche sind durch Isolationsschlitze voneinander getrennt. Der vorgeschlagene Photodetektor kann die Versatzgröße und -ausrichtung des Ziels relativ zur optischen Achse gemäß unterschiedlichen Quadranten-Detektionsergebnissen bestimmen, wodurch eine präzise Positionierung erreicht wird.

Der Antwortstrom, die Dunkelstromcharakteristik, die Anstiegszeit und die Crosstalk-Charakteristik des Photodetektors werden mit der kommerziellen Software COMSOL Multiphysics 5.4a simuliert, um die optimale Struktur zu entwerfen. Der Antwortstrom, die Dunkelstromcharakteristik und die Anstiegszeit des Photodetektors können durch Gleichungen 1–3 erhalten werden. Es ist zu sehen, dass der Antwortstrom, der Dunkelstrom und die Ansprechzeit eng mit der Dicke von Schicht I und der Vorspannspannung zusammenhängen, wenn Fläche, einfallende Leistung und Materialparameter bestimmt sind; daher werden diese Parameter hauptsächlich simuliert.

I_p = (qP(1 - R) / hv) · (1 - e^-αW / (1 + α√(Dτ))) + qP D / √(Dτ) (1)
I_D = √(Aqn W / 2τ) + (2m / E_g)^1/2 (q³ E v / (4π² ℏ²)) A e^{(-4/(3qEℏ) √(2m E_g³))} (2)
T = √((2,2 t_RC)² + t_d² + τ_d²) (3)

Wobei P für eingestrahlte Leistung steht, R für Reflektivität, α für Absorptionskoeffizient, W für die Dicke von Schicht I, D für Lochdiffusionskoeffizient und τ für Trägerlebensdauer. E ∝ Vorspannspannung, t_RC steht für Schaltungszeitkonstante, die hauptsächlich durch äquivalenten Widerstand und Kapazität bestimmt wird. t_d ist Diffusionszeit, und τ_d ist Transitzeit.

Die Einflüsse der Sperrspannung auf die oben genannten Parameter sind in Abb. 3 dargestellt; man sieht, dass mit der Erhöhung der Vorspannspannung der Antwortstrom und der Dunkelstrom ebenfalls zunehmen; jedoch wird die Anstiegszeit verringert. Daher ist es notwendig, den Widerspruch zwischen Antwortstrom, Anstiegszeit und Dunkelstrom bei steigender Vorspannung auszugleichen und die entsprechende Vorspannung gemäß der Anforderung zu wählen. Ebenso wird die Dicke von Schicht I der PIN-Struktur, die die Dicke des Photodetektors stark bestimmt, simuliert und die Ergebnisse sind in Abb. 4 gezeigt. Gleichzeitig gibt Abb. 5 den Einfluss der Isolationsschlitzbreite auf den Photodetektor; man sieht, dass bei Erhöhung der Isolationsschlitzbreite auf 100 µm die Crosstalk-Rate im Wesentlichen stabil ist. Gemäß den Simulationsergebnissen werden der optimale Antwortstrom, Dunkelstrom und die Anstiegszeit erhalten; die spezifischen Geräteparameter sind in Tabelle 1 dargestellt.

Um hohe Antwort, schnelle Ansprechgeschwindigkeit und hohe Stabilität des Photodetektors zu erreichen, wurden auch einige Herstellungsprozesse optimiert [22,23,24]. Erstens werden Isolationsnut und Sperrring entworfen, um den Crosstalk zwischen benachbarten photosensitiven Bereichen zu reduzieren. Zweitens werden Wafer-Dünnung und Polierprozesse verwendet, um die Verarmungsschichtdicke zu reduzieren, um die Ansprechgeschwindigkeit des Geräts zu verbessern. Drittens ist die Herstellung von Schwarzsilizium durch einstufige Femtosekundenlaserablation der Schlüssel, um gute Wiederholbarkeit und Stabilität der Schwarzsilizium-Materialien zu erreichen. Viertens wird die Unterflächen-Passivierungsbehandlung der Schwarzsilizium-Schicht verwendet, um die Dichte der Oberflächenfehlerzustände zu reduzieren und zu regulieren und die Eigenrekombination von photogenerierten Ladungsträgern zu reduzieren, um hohe Responsivität des Photodetektors zu erreichen. Der spezifische Herstellungsprozess des Photodetektors ist in Abb. 2 dargestellt. Das finale Gerätediagramm ist in Abb. 2j gezeigt, in dem die Dicke von Schicht I 180 µm beträgt und die Dicke der P-N-Schicht 10 µm beträgt, P⁺ wird durch starke Dotierung von B auf P-Typ Silizium gebildet, N⁺ wird durch Diffusion von P gebildet, und die Kontaktelektrode wurde durch thermische Verdampfung abgeschieden.

Abbildung 6 zeigt die Änderungen der Oberflächenmorphologie und photoelektrischen Eigenschaften von hoch-einkerbungsempfindlichem Se-dotiertem Schwarzsilizium nach Hochtemperatur-Glühen; die spezifischen Bearbeitungsparameter sind wie folgt: Scangeschwindigkeit: 1 mm/s; Laserleistungsdichte: 4,5 kJ/m²; HF-Gasdruck: 9 × 10⁴ Pa. Man sieht in der Abbildung, dass die Oberflächenmorphologie vor und nach dem Hochtemperatur-Glühen gleichmäßiger auf dem nanoskaligen konischen Schwarzsilizium-Array verteilt ist ohne offensichtliche Veränderung. In Bezug auf das Absorptionsspektrum erreichte die durchschnittliche Absorptionsrate nach dem Glühen des Schwarzsiliziums, das unter dem neuen Prozess in dieser Arbeit hergestellt wurde, 83,12%, der Feuerwiderstand verbesserte sich signifikant im Vergleich zur Absorptionsrate von etwa 50% nach dem Glühen von S-dotiertem Schwarzsilizium. Darüber hinaus wurde der Effekt der Femtosekundenlaserpuls-Scangeschwindigkeit auf die Leistung des Schwarzsilizium-Materials getestet, und die Ergebnisse sind in Abb. 7 dargestellt. Man sieht, dass mit der Abnahme der Geschwindigkeit die Dotiermenge des Se-Elements kontinuierlich zunimmt, was zu einer offensichtlicheren Form der Schwarzsilizium-Spitze und höherer Absorptionsrate führt.

Gemäß der Tauc-Abbildungstheorie kann die Bandlücke des Materials durch Transformation seines Absorptionsspektrums erhalten werden [25]:

F(R∞) ≈ A² / 2R (4)
(hν α)^1/n = K (hν - Eg) (5)
hν = 1239,7 / λ (6)
(hν F(R∞))^1/2 = K (hν - Eg) (7)

Wobei A für spektrale Absorption steht, R für Reflektivität. Der Wendepunkt (der Maximumspunkt der ersten Ableitung) wird durch Berechnung der ersten Ableitung der hv-(hvF(R∞))^1/2 Kurve erhalten, und die Tangente der Kurve wird an diesem Punkt gezogen. Der Abszissenwert des Schnittpunkts der Tangente und der X-Achse sind die Bandlücke der Probe. Die äquivalenten Bandlückenergebnisse von Schwarzsilizium-Materialien bei verschiedenen Scangeschwindigkeiten sind in Tabelle 2 gezeigt; mit der Abnahme der Scangeschwindigkeit und der Zunahme der Se-Dotierkonzentration nimmt die Bandlückenbreite im Vergleich zu den 1,12 eV traditioneller Siliziummaterialien ab, und das Spektralband nimmt zu.

Der PIN-Übergang des Dual-Vier-Quadrant-Photodetektors wird bei verschiedenen Bandlücken der Materialien simuliert. Die Simulationsergebnisse sind in Abb. 8 dargestellt; die Ergebnisse zeigen, dass mit der Abnahme der Bandlückenbreite der Photostrom-Absorptionsgipfel in Richtung des nahinfraroten Bands verschoben wird. Daher kann unter Berücksichtigung der Simulationsergebnisse, der optoelektrischen Leistung des Photodetektors die optimale Scangeschwindigkeit ausgewählt werden.

Derselbe Simulationsprozess wird verwendet, um die optimalen Materialherstellungsparameter unter verschiedenen experimentellen Bedingungen zu bestimmen, wie optische Leistungsdichte und HF-Luftdruck, die in Abb. 9 und 10 gezeigt sind.

Die spezifischen Bearbeitungsparameter sind wie folgt: Scangeschwindigkeit: 1 mm/s; Laserleistungsdichte: 4,5 kJ/m²; HF-Gasdruck: 9 × 10⁴ Pa. Unter den oben genannten experimentellen Parametern wurde das Schwarzsilizium-Material durch die neue Technologie hergestellt, und der Doppel-Vier-Quadrant-Photodetektor wurde gefertigt. Das physische Bild des Photodetektors und die Testergebnisse sind in Abb. 11, Tabellen 3 und 4 gezeigt, und die Responsivitätsergebnisse werden durch eine Schicht von 2 mW gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass die durchschnittliche einheitliche Responsivität 0,528 A/W bei 1060 nm und 0,102 A/W bei 1180 nm bei einer Sperrspannung von 50 V beträgt, der Antwortbereich reicht von 400 bis 1200 nm, was im Wesentlichen mit dem Simulationsergebnis übereinstimmt. Die durchschnittliche spektrale Absorptionsrate beträgt über 90%, und der durchschnittliche Dunkelstrom ist weniger als 8 nA; der Dunkelstrom wird gemessen, indem eine schwarze Box zum Detektor hinzugefügt wird, um den Strom unter Sperrspannung zu messen, und die Dunkelstromergebnisse sind etwas größer als die Simulationsergebnisse, weil die Tiefengleichmäßigkeit des Übergangs im photosensitiven Bereich in der tatsächlichen Verarbeitung nicht ideal ist. Gleichzeitig wird die Ansprechzeit gemessen, indem die Änderung des Photostroms durch ein Oszilloskop abgelesen wird, wenn ein Laserpuls-Signal auf den Detektor einwirkt, und die durchschnittliche Anstiegszeit beträgt weniger als 12 ns, was den erwarteten Simulationsergebnissen entspricht. Daher erreicht der in dieser Arbeit hergestellte Photodetektor nicht nur eine Vier-Quadrant-präzise Positionierung, sondern gewährleistet auch ein breites Detektionsband, niedrigen Dunkelstrom und schnelles Ansprechverhalten.

Schlussfolgerungen

In dieser Arbeit wird ein neues Herstellungsverfahren für Schwarzsilizium vorgeschlagen, mit dem hoch lichtfängendes Selen-dotiertes Schwarzsilizium-Material durch Femtosekundenlaserablation von hochwiderständigem Silizium, beschichtet mit Selen-Film, in HF-Gasatmosphäre hergestellt wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die durchschnittliche Absorptivität des 400–2200 nm Bands vor dem Glühen 96,81% beträgt und die Absorptivität nach dem Glühen bei 600 °C bei 81,28% erhalten bleibt. Gleichzeitig wird das unter der neuen Technologie hergestellte Schwarzsilizium in einem Doppel-Vier-Quadrant-Photodetektor verwendet; die Ergebnisse zeigen, dass die durchschnittliche einheitliche Responsivität 0,528 A/W bei 1060 nm und 0,102 A/W bei 1180 nm bei einer Vorspannung von 50 V beträgt, und der durchschnittliche Dunkelstrom 2 nA an den inneren Quadranten und 8 nA an den äußeren Quadranten beträgt. Der auf nahinfrarot-verstärktem Schwarzsilizium basierende Dual-Vier-Quadrant-Photodetektor bietet die Vorteile hoher Responsivität, niedrigem Dunkelstrom, schnellem Ansprechverhalten und geringem Crosstalk, weshalb er für eine Reihe von Anwendungen geeignet ist, wie Nachtsichtdetektion und medizinische Bereiche.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die während der aktuellen Studie verwendeten oder analysierten Datensätze sind auf vernünftige Anfrage beim korrespondierenden Autor verfügbar.

Abkürzungen

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

NIR:

Nahinfrarot