Ein Dual-Vier-Quadranten-Fotodetektor basierend auf schwarzem Nanometer-Silizium im Nahinfrarotbereich

Einführung

Nahinfrarot-verstärkte Photodetektoren [1,2,3] sind im Vergleich zu Photodetektoren bei anderen Wellenlängen [4,5,6] nur schwer zufriedenstellende Leistung zu erzielen, da sie durch Ansprechbereich, Ansprechrate, Dunkelstrom und Übersprechen im Nahbereich begrenzt sind. Infrarotband. Doch seit Carey 2005 den ersten Schwarz-Silizium-Infrarotdetektor entwickelte, begann sich der Nahinfrarot-Photodetektor auf Basis von Schwarzsilizium-Materialien schnell zu entwickeln. Die Leistung des von Carey entwickelten schwarzen Siliziums übertrifft die Leistung des monokristallinen Silizium-Infrarotdetektors bei weitem. Es dauerte nicht lange, bis einige Forscher dem schwarzen Siliziumdetektor eine Passivierungstechnologie hinzufügten, um seinen Dunkelstrom zu reduzieren. Schwarzes Silizium [7,8,9] wurde aufgrund seiner hohen Absorptionsrate und seines breiten Absorptionsspektrums zum bevorzugten Material für siliziumbasierte Nahinfrarot-verstärkte Photodetektoren.

Als eines der wichtigsten Materialien in der Halbleiterindustrie ist es entscheidend, die Verarbeitungsqualität von schwarzen Siliziummaterialien gut zu steuern [10,11,12,13,14]. Die Herstellung von schwarzem Silizium mit breitem Spektrum, hoher Absorption und geringem Defekt ist für einen leistungsstarken Nahinfrarot-Photodetektor unerlässlich. Es gibt einige Untersuchungen zur Herstellung von schwarzen Siliziummaterialien unter Verwendung von Femtosekundenlasern [15, 16], die in einer SF6-Atmosphäre scannen [17, 18], und das schwarze Siliziummaterial im ultravioletten bis nahen Infrarotbereich kann eine Absorption von mehr als 90% erreichen [ 19]. Allerdings wird die Absorption im Nahinfrarotbereich nach dem Hochtemperaturglühen auf etwa 50 % reduziert. Unterdessen fanden Forscher heraus, dass die Absorption von Se- und Te-dotiertem schwarzem Silizium durch Glühen im Vergleich zu S-dotiertem schwarzem Silizium deutlich reduziert wird, aber unter dem Dotierungsprozess der festen Se- und Te-Membran wird das schwarze Siliziummaterial in der Form präpariert des Hügels, und die Lichteinfangfunktion ist nicht gut genug [20, 21].

In dieser Veröffentlichung wird ein neues Herstellungsverfahren für schwarzes Nanometer-Silizium vorgeschlagen, durch das hoch einfangendes optisches Se-dotiertes schwarzes Siliziummaterial durch gepulste Nanosekunden-Laserablation von mit einem Se-Film beschichtetem hochohmigem Silizium in einer HF-Gasatmosphäre hergestellt wird. Die Ergebnisse zeigen, dass das durchschnittliche Absorptionsvermögen des 400–2200 nm-Bandes vor dem Tempern 96,81 % beträgt und das Absorptionsvermögen nach dem Tempern bei 600 Grad bei 81,28 % bleibt. Inzwischen wird schwarzes Silizium, das mit der neuen Technologie hergestellt wurde, in Doppel-Vier-Quadranten-Photodetektoren verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass die durchschnittliche Reaktionsfähigkeit der Einheit 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 beträgt 2 nA an den inneren Quadranten und 8 nA an den äußeren Quadranten. Der Dual-Vier-Quadranten-Fotodetektor auf Basis von Nahinfrarot-verstärktem schwarzem Silizium hat die Vorteile einer hohen Reaktionsfähigkeit, eines geringen Dunkelstroms, einer schnellen Reaktion und eines geringen Übersprechens und eignet sich daher für eine Reihe von Anwendungen, wie z. B. Nachtsichterkennung und Medizin Feld.

Methode

Der Photodetektor wurde durch die folgenden Verfahren hergestellt und getestet. Zuerst wurde das schwarze Siliziummaterial hergestellt, ein hochohmiger Siliziumwafer vom N-Typ wurde in eine Probe von 5 cm  ×  5 cm geschnitten, und die Probe wurde mit einem Standardreinigungsverfahren gereinigt und in einer Stickstoffatmosphäre trockengeblasen. Dann wurde Se-Pulver mit einer Reinheit von 99,99% als Verdampfungsquelle verwendet und ein Se-Film wurde auf der Oberfläche der Si-Probe durch eine Vakuumbeschichtungsmaschine abgeschieden. Beim Femtosekunden-Laserätzprozess wurde HF-Gas eingeführt, und die Bearbeitungsparameter sind wie folgt:Scangeschwindigkeit:1 mm/s; Laserleistungsdichte:4,5 kJ/m ² ; HF-Gasdruck:9 × 10 ⁴ Pa. Der in dieser Veröffentlichung verwendete Femtosekundenlaser ist der Ti:Saphir-Femtosekundenlaserverstärker, der von Spectra-Physics Corporation hergestellt wird. Zweitens wurde ein Doppel-Vier-Quadranten-Photodetektor unter Verwendung von schwarzem Siliziummaterial hergestellt, die schematische Struktur des Doppel-Vier-Quadranten-Photodetektors und die spezifischen Herstellungsverfahren sind in den Fig. 1 und 2 gezeigt. 1 und 2. Schließlich wurden die Morphologien von schwarzem Silizium mit einem Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (REM) charakterisiert und die spektralen Eigenschaften des Materials wurden mit einem NIR2500-Faserspektrometer und einer Ulbrichtkugel getestet. In der Zwischenzeit wurden der Ansprechstrom, die Dunkelstromcharakteristik und die Anstiegszeit des Photodetektors getestet. Während des Tests ist die Lichtquelle ein Laser des Amonics-Bandes, der Dunkelstrom wird gemessen, indem dem Detektor eine Blackbox hinzugefügt wird, um den Strom unter der umgekehrten Vorspannung zu messen, und die Reaktionszeit wird gemessen, indem die Änderung des Photostroms durch gelesen wird ein Oszilloskop, wenn ein Laserpulssignal verwendet wird, das auf den Detektor wirkt.

Der schematische Aufbau eines Dual-Vier-Quadranten-Photodetektors

Der spezifische Herstellungsprozess des Fotodetektors

Ergebnisse und Diskussion

In dieser Veröffentlichung wird ein hoch einfangendes optisches Se-dotiertes schwarzes Siliziummaterial durch Nanosekunden-gepulste Laserablation von hochohmigem Silizium, das mit einem Se-Film beschichtet ist, in einer HF-Gasatmosphäre hergestellt. Einerseits wird der Effekt des Glühens auf schwarzem Silizium reduziert, da die Se-Beschichtung übersättigt wird, anstatt das herkömmliche S-dotierte Silizium zu verwenden. Die Diffusionsgeschwindigkeit von S-Atomen aus dem Si-Gitter ist schneller als die von Se; daher ist die Glühwirkung schlecht. Andererseits wird HF bei hoher Temperatur in H+ und F– zerlegt, und das F-Ion wechselwirkt mit Siliziummaterial, das durch einen Femtosekundenlaser bei hoher Temperatur abgetragen wird, um flüchtiges SiF4 zu erzeugen; Auf diese Weise wird die Oberfläche des Materials kontinuierlich geätzt, wodurch eine nanoskalige Pyramidenstruktur entsteht, die durch Laserätzen erzeugte nanoskalige Pyramide reduziert effektiv die Reflektivität von schwarzem Silizium. Unterdessen optimiert die Oberflächenpassivierung die Lebensdauer der Minoritätsträger und reduziert die Defektdichte von schwarzem Siliziummaterial und eine unnötige Trägerrekombination. Das Ätzen mit Femtosekundenlaser ist einfach und reproduzierbar, wodurch die Gleichmäßigkeit des schwarzen Silizium-Arrays gut ist, während die Breite der schwarzen Silizium-Bandlücke stark reduziert werden kann. Durch weitere Untersuchungen des Einflusses von Gasatmosphäre, Laserleistung und Laserscanninggeschwindigkeit auf die Eigenschaften des schwarzen Siliziummaterials kann der optimierte Prozessablauf erhalten werden. Das schwarze Silizium hat eine signifikante Verbesserung der Absorption nach dem Glühen, das durch das neue Verfahren hergestellt wurde.

Der Dual-Vier-Quadranten-Photodetektor wird unter Verwendung von schwarzem Siliziummaterial nach dem neuen Verfahren hergestellt; die in diesem Papier vorgeschlagene schematische Struktur ist in Fig. 1 dargestellt. Der vorgeschlagene Fotodetektor besteht aus einer lichtempfindlichen Schicht, einer Isolationsrille und einer schwarzen Siliziumschicht. Der Außendurchmesser der lichtempfindlichen Oberfläche beträgt 8 mm, während der Innendurchmesser 2 mm beträgt und die lichtempfindlichen Bereiche durch Isolierschlitze voneinander getrennt sind. Der vorgeschlagene Fotodetektor kann die Versatzgröße und Ausrichtung des Ziels relativ zur optischen Achse anhand verschiedener Quadrantenerkennungsergebnisse bestimmen, wodurch eine genaue Positionierung erreicht wird.

Der Ansprechstrom, die Dunkelstromcharakteristik, die Anstiegszeit und die Übersprechcharakteristik des Photodetektors werden mit der kommerziellen Software COMSOL Multiphysics 5.4a simuliert, um die optimale Struktur zu entwerfen. Der Ansprechstrom, die Dunkelstromcharakteristik und die Anstiegszeit des Photodetektors können durch Gl. 1–3. Es ist ersichtlich, dass der Ansprechstrom, der Dunkelstrom und die Ansprechzeit in engem Zusammenhang mit der Dicke der Schicht I und der Vorspannung stehen, wenn die Fläche, die einfallende Leistung und der Materialparameter bestimmt werden; daher werden diese Parameter hauptsächlich simuliert.

Dabei steht P für die einfallende Leistung, R ist das Reflexionsvermögen, α ist der Absorptionskoeffizient, W steht für die Dicke der Schicht I, D ist der Lochdiffusionskoeffizient und ist die Trägerlebensdauer. E \(\propto\) Vorspannung, t_RC steht für die Schaltungszeitkonstante, die hauptsächlich durch den Ersatzwiderstand und die Kapazität bestimmt wird. t_d ist die Diffusionszeit und τ_d ist Transitzeit.

Die Einflüsse der umgekehrten Vorspannung auf die obigen Parameter sind in Fig. 3 veranschaulicht. Es ist ersichtlich, dass mit der Erhöhung der Vorspannung auch der Ansprechstrom und der Dunkelstrom erhöht werden; die Anstiegszeit wird jedoch verringert. Daher ist es notwendig, den Widerspruch zwischen Ansprechstrom, Anstiegszeit und Dunkelstrom bei steigender Vorspannung auszugleichen und die geeignete Vorspannung entsprechend der Anforderung zu wählen. Auf die gleiche Weise wird auch die Dicke der Schicht I der PIN-Struktur simuliert, die die Dicke des Photodetektors stark bestimmt, und die Ergebnisse sind in Abb. 4 gezeigt. Währenddessen zeigt Abb. 5 den Einfluss der Isolationsschlitzbreite auf den Fotodetektor , ist ersichtlich, dass die Übersprechrate im Wesentlichen stabil ist, wenn die Isolationsschlitzbreite auf 100 μm erhöht wird. Gemäß den Simulationsergebnissen werden der optimale Ansprechstrom, Dunkelstrom und die Anstiegszeit erhalten, die spezifischen Geräteparameter sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Der Ansprechstrom, die Dunkelstromcharakteristik und die Anstiegszeitänderungskurve des Photodetektors bei unterschiedlicher umgekehrter Vorspannung

Der Ansprechstrom, die Dunkelstromcharakteristik und die Anstiegszeitänderungskurve des Photodetektors bei unterschiedlicher Schichtdicke I

Der Einfluss der Isolationsschlitzbreite auf die Übersprechrate

Um ein hohes Ansprechverhalten, schnelle Ansprechgeschwindigkeit und hohe Stabilität des Photodetektors zu erreichen, wurden auch einige Herstellungsverfahren optimiert [22,23,24]. Erstens sind die Isolationsrille und der Sperrring so ausgelegt, dass sie das Übersprechen zwischen benachbarten lichtempfindlichen Bereichen reduzieren. Zweitens werden Waferdünnungs- und Polierprozesse verwendet, um die Dicke der Verarmungsschicht zu verringern, um die Reaktionsgeschwindigkeit der Vorrichtung zu verbessern. Drittens ist die Herstellung von schwarzem Silizium durch einstufige Femtosekunden-Laserablation entscheidend, um eine gute Wiederholbarkeit und Stabilität von schwarzen Siliziummaterialien zu erreichen. Schließlich wird die unter der Oberfläche liegende Passivierungsbehandlung der schwarzen Siliziumschicht verwendet, um die Dichte des Oberflächendefektzustands zu reduzieren und zu regulieren und die Eigengewichtsverbindung von fotogenen Trägern zu reduzieren, um ein hohes Ansprechverhalten des Fotodetektors zu erreichen. Der spezifische Herstellungsprozess des Photodetektors ist in Abb. 2 gezeigt. Das endgültige Gerätediagramm ist in Abb. 2j gezeigt, in dem die Dicke der Schicht I 180 μm und die Dicke der Schicht PN 10 μm beträgt, P ⁺ wird durch starke Dotierung von B auf Silizium vom P-Typ gebildet, N ⁺ wird durch Diffusion von P gebildet, und die Kontaktelektrode wurde durch thermisches Verdampfen abgeschieden.

Abbildung 6 zeigt die Änderungen der Oberflächenmorphologie und der photoelektrischen Eigenschaften von lichtempfindlichem Se-dotiertem schwarzem Silizium mit hoher Kerbe nach dem Hochtemperaturglühen, die spezifischen Bearbeitungsparameter sind wie folgt:Scangeschwindigkeit:1 mm/s; Laserleistungsdichte:4,5 kJ/m ² ; HF-Gasdruck:9 × 10 ⁴ Pa. In der Abbildung ist zu sehen, dass die Oberflächenmorphologie vor und nach dem Hochtemperaturglühen gleichmäßiger auf dem nanoskaligen, sich verjüngenden schwarzen Siliziumarray ohne offensichtliche Änderung verteilt ist. In Bezug auf das Absorptionsspektrum erreichte die durchschnittliche Absorptionsrate nach dem Glühen von schwarzem Silizium, das nach dem neuen Verfahren in dieser Arbeit hergestellt wurde, 83,12 %, die Feuerbeständigkeit verbesserte sich deutlich gegenüber der Absorptionsrate von etwa 50 % nach dem Glühen von S-dotiertem schwarzem Silizium . Darüber hinaus wurde die Wirkung der Femtosekunden-Laserpulsabtastgeschwindigkeit auf die Leistung von schwarzem Siliziummaterial getestet, und die Ergebnisse sind in Fig. 7 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass mit abnehmender Geschwindigkeit die Dotierungsmenge des Se-Elements kontinuierlich zunimmt, Dies führt zu der offensichtlicheren Form des schwarzen Silikonspitzenkonus und einer höheren Absorptionsrate.

Die Veränderungen der Oberflächenmorphologie und der photoelektrischen Eigenschaften des Materials nach dem Hochtemperaturglühen

Die Oberflächenmorphologie und Absorptionsspektren der Materialien bei verschiedenen Scangeschwindigkeiten a 10 mm/s, b 5 mm/s, c 2 mm/s, d 1 mm/s

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

Dabei steht A für spektrale Absorption, R für Reflexion. Der Wendepunkt (der Maximalpunkt der ersten Ableitung) wird durch Berechnung der ersten Ableitung von hv-(hvF(R∞)) ^1/2 . erhalten Kurve, und die Tangente der Kurve wird an dieser Stelle gebildet. Der Abszissenwert des Schnittpunkts der Tangente und der X-Achse sind die Bandlücke der Probe. Die Ergebnisse der äquivalenten Bandlückenbreite von schwarzen Siliziummaterialien bei unterschiedlichen Scangeschwindigkeiten sind in Tabelle 2 gezeigt, wobei mit der Abnahme der Scangeschwindigkeit und der Zunahme der Se-Dotierungskonzentration die Bandlückenbreite im Vergleich zu den 1,12 eV herkömmlicher Siliziummaterialien abnimmt und die Spektralband nimmt zu.

Der PIN-Übergang eines Dual-Vier-Quadranten-Photodetektors wird bei unterschiedlichen Bandlücken von Materialien simuliert. Die Simulationsergebnisse sind in Abb. 8 dargestellt; die Ergebnisse zeigen, dass mit der Abnahme der Bandlückenbreite der Photostrom-Absorptionspeak in Richtung des nahen Infrarotbandes verschoben wird. Daher kann unter Berücksichtigung der Simulationsergebnisse, der optischen und elektrischen Leistung des Photodetektors die optimale Scangeschwindigkeit ausgewählt werden.

Empfindlichkeit von schwarzem Silizium durch unterschiedliche Bandlücke

Mit dem gleichen Simulationsverfahren werden die optimalen Materialaufbereitungsparameter unter verschiedenen experimentellen Bedingungen ermittelt, wie z. B. optische Leistungsdichte und HF-Luftdruck, die in den Abb. 9 und 10.

Die Oberflächenmorphologie und Absorptionsspektren der Materialien bei unterschiedlichem HF-Luftdruck a 1 × 10 ⁴ Pa, b 3,5 × 10 ⁴ Pa, c 6 × 10 ⁴ Pa, t 8,5 × 10 ⁴ Pa

Die Oberflächenmorphologie und Absorptionsspektren der Materialien bei unterschiedlicher optischer Leistungsdichte a 2,5 kJ/m ² , b 4,5 kJ/m ² , c 6,0 kJ/m ² , d 9,0 kJ/m ²

Die spezifischen Bearbeitungsparameter sind wie folgt:Scangeschwindigkeit:1 mm/s; Laserleistungsdichte:4,5 kJ/m ² ; HF-Gasdruck:9 × 10 ⁴ Pa, unter den obigen experimentellen Parametern wurde das schwarze Siliziummaterial durch die neue Technologie hergestellt, und der Doppel-Vierquadranten-Photodetektor wurde hergestellt. Das physikalische Bild des Fotodetektors und die Testergebnisse sind in Abb. 11, Tabellen 3 und 4, gezeigt, und die Ergebnisse der Reaktionsfähigkeit werden anhand einer Schicht von 2 mW gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass die durchschnittliche Reaktionsfähigkeit des Geräts 0,528 A/W bei 1060 nm und 0,102 A/W bei 1180 nm bei einer umgekehrten Vorspannung von 50 V beträgt. Das Antwortband reicht von 400 bis 1200 nm, was im Wesentlichen der Simulation entspricht Ergebnis. Die durchschnittliche spektrale Absorptionsrate beträgt über 90% und der durchschnittliche Dunkelstrom beträgt weniger als 8 nA. Der Dunkelstrom wird gemessen, indem dem Detektor eine Blackbox hinzugefügt wird, um den Strom unter der umgekehrten Vorspannung zu messen, und die Ergebnisse des Dunkelstroms sind etwas größer als die Simulationsergebnisse, da die Tiefengleichmäßigkeit des Übergangs im lichtempfindlichen Bereich bei der tatsächlichen Verarbeitung nicht ideal ist. In der Zwischenzeit wird die Reaktionszeit gemessen, indem die Änderung des Fotostroms durch ein Oszilloskop gelesen wird, wenn ein auf den Detektor einwirkendes Laserpulssignal verwendet wird, und die durchschnittliche Anstiegszeit beträgt weniger als 12 ns, was den erwarteten Simulationsergebnissen entspricht. Daher erreicht der in diesem Dokument hergestellte Fotodetektor nicht nur eine präzise Vier-Quadranten-Positionierung, sondern gewährleistet auch ein breites Erkennungsband, einen geringen Dunkelstrom und eine schnelle Reaktion.

a Das physikalische Bild eines Dual-Vier-Quadranten-Photodetektors. b Die Empfindlichkeit verschiedener Dual-Vier-Quadranten-Photodetektorproben

Schlussfolgerungen

In dieser Veröffentlichung wird ein neues Herstellungsverfahren für schwarzes Silizium vorgeschlagen, durch das hoch einfangendes optisches Se-dotiertes schwarzes Siliziummaterial durch Femtosekunden-Laserablation von hochohmigem Silizium, das mit einem Se-Film beschichtet ist, in einer HF-Gasatmosphäre hergestellt wird. Die Ergebnisse zeigen, dass das durchschnittliche Absorptionsvermögen des 400–2200 nm-Bandes vor dem Tempern 96,81 % beträgt und das Absorptionsvermögen nach dem Tempern bei 600 Grad bei 81,28 % bleibt. Inzwischen wird schwarzes Silizium, das mit der neuen Technologie hergestellt wurde, in Doppel-Vier-Quadranten-Photodetektoren verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass die durchschnittliche Reaktionsfähigkeit der Einheit 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 beträgt 2 nA an den inneren Quadranten und 8 nA an den äußeren Quadranten. Der Dual-Vier-Quadranten-Fotodetektor auf Basis von Nahinfrarot-verstärktem schwarzem Silizium hat die Vorteile einer hohen Reaktionsfähigkeit, eines geringen Dunkelstroms, einer schnellen Reaktion und eines geringen Übersprechens und eignet sich daher für eine Reihe von Anwendungen, wie z. B. Nachtsichterkennung und Medizin Feld.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die in der aktuellen Studie verwendeten bzw. analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Abkürzungen

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

NIR:

Nahes Infrarot