Двойной четырехквадрантный фотодетектор на основе черного кремния с нанометровым усилением в ближнем инфракрасном диапазоне

Введение

Фотоприемник с улучшенной ближней инфракрасной областью [1,2,3] трудно получить удовлетворительные характеристики по сравнению с фотодетекторами на других длинах волн [4,5,6], потому что он ограничен диапазоном отклика, скоростью отклика, темновым током и перекрестными помехами в ближнем диапазоне. инфракрасный диапазон. Однако с тех пор, как Кэри разработал первый черный кремниевый инфракрасный детектор в 2005 году, фотодетектор ближнего инфракрасного диапазона на основе черных кремниевых материалов начал быстро развиваться. Характеристики черного кремния, разработанного Кэри, намного превосходят характеристики монокристаллического кремниевого инфракрасного детектора. Вскоре некоторые исследователи добавили технологию пассивации к черному кремниевому детектору, чтобы уменьшить его темновой ток. Черный кремний [7,8,9] стал предпочтительным материалом для кремниевых фотоприемников с улучшенным ближним инфракрасным излучением из-за его высокой скорости поглощения и широкого спектра поглощения.

Поскольку это один из наиболее важных материалов в полупроводниковой промышленности, очень важно хорошо управлять качеством обработки черных кремниевых материалов [10,11,12,13,14]. Подготовка черного кремния с широким спектром, высоким поглощением и низким уровнем дефектов важна для высокопроизводительного фотодетектора ближнего инфракрасного диапазона. Есть некоторые исследования по приготовлению черных кремниевых материалов с использованием фемтосекундного лазера [15, 16], сканирование в атмосфере SF6 [17, 18], и черный кремниевый материал в ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном диапазоне может достигать более 90% поглощения [ 19]. Однако поглощение в ближней инфракрасной области уменьшается примерно до 50% после высокотемпературного отжига. Между тем, исследователи обнаружили, что поглощение черного кремния, легированного Se и Te, значительно снижается при отжиге по сравнению с черным кремнием, легированным S, но в процессе легирования твердой мембраны из Se и Te черный кремний получается в форме холма, и улавливание света недостаточно [20, 21].

В этой статье предлагается новый процесс получения нанометрового черного кремния, с помощью которого получают оптический черный кремниевый материал с высоким улавливанием, легированный Se, путем наносекундной импульсной лазерной абляции высокоомного кремния, покрытого пленкой Se, в атмосфере HF-газа. Результаты показывают, что средняя поглощающая способность полосы 400–2200 нм перед отжигом составляет 96,81%, а поглощательная способность сохраняется на уровне 81,28% после отжига при 600 градусах. Между тем, черный кремний, полученный по новой технологии, используется в двухквадрантном фотодетекторе, результаты показывают, что средняя чувствительность блока составляет 0,528 А / Вт на 1060 нм и 0,102 А / Вт на 1180 нм при смещении 50 В, и средний темновой ток составляет 2 нА во внутренних квадрантах и ​​8 нА во внешних квадрантах. Двойной четырехквадрантный фотодетектор на основе черного кремния, усиленного ближней инфракрасной областью, обладает такими преимуществами, как высокая чувствительность, низкий темновой ток, быстрый отклик и низкие перекрестные помехи, поэтому он подходит для ряда приложений, таких как обнаружение ночного видения и медицина. поле.

Метод

Фотодетектор был изготовлен и испытан с помощью следующих процессов. Сначала был подготовлен черный кремниевый материал, пластина кремния с высоким сопротивлением N-типа была разрезана на образец размером 5 см × 5 см, и образец был очищен с помощью стандартной процедуры очистки и высушен в атмосфере азота. Затем в качестве источника испарения использовался порошок Se чистотой 99,99%, и пленка Se была нанесена на поверхность образца Si с помощью вакуумной машины для нанесения покрытий. Газ HF был введен в процесс фемтосекундного лазерного травления, и параметры обработки следующие:скорость сканирования:1 мм / с; плотность мощности лазера:4,5 кДж / м ² ; Давление газа HF:9 × 10 ⁴ Па. Фемтосекундный лазер, использованный в этой статье, представляет собой титан-сапфировый фемтосекундный лазерный усилитель, произведенный Spectra-Physics Corporation. Во-вторых, двухквадрантный фотодетектор был изготовлен с использованием черного кремниевого материала, схематическая структура двухквадрантного фотодетектора и конкретные производственные процессы показаны на рис. 1 и 2. Наконец, морфология черного кремния была охарактеризована с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа (SEM), а спектральные характеристики материала были протестированы с помощью волоконно-оптического спектрометра NIR2500 и интегрирующей сферы. Между тем, были проверены ток срабатывания, характеристика темнового тока, время нарастания фотодетектора. Во время испытания источником света является лазер диапазона Amonics, темновой ток измеряется путем добавления черного ящика к детектору для измерения тока при обратном смещении, а время отклика измеряется путем считывания изменения фототока через осциллографа при использовании лазерного импульсного сигнала, воздействующего на детектор.

Принципиальная схема сдвоенного четырехквадрантного фотоприемника

Конкретный процесс изготовления фотоприемника

Результаты и обсуждение

В этой статье черный кремниевый материал с высоким улавливанием, легированный Se, получен с помощью наносекундной импульсной лазерной абляции высокоомного кремния, покрытого пленкой Se, в атмосфере газа HF. С одной стороны, влияние отжига на черный кремний снижается, потому что покрытие Se является перенасыщенным, вместо того, чтобы использовать традиционный кремний, легированный серой. Скорость диффузии атомов S из решетки Si выше, чем у Se; следовательно, эффект отжига плохой. С другой стороны, HF разлагается на H + и F- при высокой температуре, и ион F взаимодействует с кремниевым материалом, подвергнутым абляции фемтосекундным лазером при высокой температуре, с образованием летучего SiF4; Таким образом, поверхность материала непрерывно травится, образуя структуру пирамиды нанометрового размера, пирамида нанометрового размера, полученная путем лазерного травления, эффективно снижает отражательную способность черного кремния. Между тем, пассивация поверхности оптимизирует срок службы неосновных носителей и снижает плотность дефектов черного кремниевого материала и ненужную рекомбинацию носителей. Фемтосекундное лазерное травление является простым и воспроизводимым, благодаря чему однородность массива черного кремния хорошая, а ширина запрещенной зоны черного кремния может быть значительно уменьшена. Путем дальнейшего изучения влияния газовой атмосферы, мощности лазера и скорости лазерного сканирования на свойства черного кремниевого материала можно получить оптимизированный технологический процесс. Черный кремний имеет значительное улучшение поглощения после отжига, полученного с помощью нового процесса.

Двойной четырехквадрантный фотоприемник изготавливается с использованием черного кремниевого материала по новому процессу; схематическая структура, предложенная в этой статье, проиллюстрирована на рис. 1. Предлагаемый фотодетектор состоит из светочувствительного слоя, изолирующей канавки и черного слоя кремния. Внешний диаметр светочувствительной поверхности составляет 8 мм, а внутренний - 2 мм, а светочувствительные участки отделены друг от друга изолирующими щелями. Предлагаемый фотодетектор может определять размер смещения и ориентацию цели относительно оптической оси в соответствии с результатами обнаружения различных квадрантов, таким образом достигая точного позиционирования.

Ток отклика, характеристика темнового тока, время нарастания и характеристика перекрестных помех фотодетектора моделируются с помощью коммерческого программного обеспечения COMSOL Multiphysics 5.4a, чтобы спроектировать оптимальную структуру. Ток отклика, характеристика темнового тока, время нарастания фотодетектора могут быть получены по формулам. 1–3. Можно видеть, что ток отклика, темновой ток и время отклика тесно связаны с толщиной слоя I и напряжением смещения, когда определены площадь, падающая мощность и параметр материала; поэтому эти параметры в основном моделируются.

В котором P означает падающую мощность, R - коэффициент отражения, α - коэффициент поглощения, W - толщина слоя I, D - коэффициент диффузии дырок, а τ - срок службы носителя. E \ (\ propto \) напряжение смещения, t _RC обозначает постоянную времени цепи, которая в основном определяется эквивалентным сопротивлением и емкостью. т _d - время диффузии, а τ _d время в пути.

Влияние обратного напряжения смещения на вышеуказанные параметры показано на рис. 3, видно, что с увеличением напряжения смещения ток отклика и темновой ток также будут увеличиваться; однако время нарастания будет уменьшено. Следовательно, необходимо уравновесить противоречие между током срабатывания, временем нарастания и темновым током по мере увеличения смещения и выбрать подходящее смещение в соответствии с потребностями. Таким же образом моделируется толщина слоя I структуры PIN, который в значительной степени определяет толщину фотодетектора, и результаты показаны на рис. 4. Между тем на рис. 5 показано влияние ширины изоляционной щели на фотоприемник. видно, что при увеличении ширины изолирующей щели до 100 мкм скорость перекрестных помех в основном стабильна. По результатам моделирования получены оптимальный ток отклика, темновой ток и время нарастания, конкретные параметры устройства показаны в таблице 1.

Ток отклика, характеристика темнового тока и кривая изменения времени нарастания фотодетектора при разном обратном напряжении смещения

Ток отклика, характеристика темнового тока и кривая изменения времени нарастания фотодетектора при различной толщине слоя I.

Влияние ширины изоляционной щели на скорость перекрестных помех

Чтобы добиться высокого отклика, быстрой скорости отклика и высокой стабильности фотодетектора, некоторые производственные процессы также были оптимизированы [22,23,24]. Во-первых, изолирующая канавка и блокирующее кольцо предназначены для уменьшения перекрестных помех между соседними светочувствительными областями. Во-вторых, процессы утонения и полировки пластин используются для уменьшения толщины обедненного слоя и повышения скорости отклика устройства. В-третьих, подготовка черного кремния с помощью одностадийной фемтосекундной лазерной абляции имеет решающее значение для достижения хорошей воспроизводимости и стабильности материалов из черного кремния. Наконец, обработка подповерхностной пассивацией черного кремниевого слоя используется для уменьшения и регулирования плотности состояния поверхностных дефектов и уменьшения мертвого веса фотогенных носителей для достижения высокой чувствительности фотодетектора. Конкретный процесс изготовления фотоприемника показан на рис. 2. Окончательная схема устройства показана на рис. 2j, на котором толщина слоя I составляет 180 мкм, а толщина слоя PN составляет 10 мкм, P ⁺ образуется сильным легированием B на кремнии типа P, N ⁺ образуется в результате диффузии P, а контактный электрод нанесен термическим испарением.

На рис. 6 показаны изменения морфологии поверхности и фотоэлектрических свойств высокочувствительного светочувствительного черного кремния, легированного Se, после высокотемпературного отжига. Конкретные параметры обработки следующие:скорость сканирования:1 мм / с; плотность мощности лазера:4,5 кДж / м ² ; Давление газа HF:9 × 10 ⁴ Па. Из рисунка видно, что морфология поверхности до и после высокотемпературного отжига более равномерно распределена на конусном наноразмерном массиве черного кремния без очевидных изменений. Что касается спектра поглощения, средняя скорость поглощения после отжига черного кремния, полученного в соответствии с новым процессом, описанным в этой статье, достигла 83,12%, огнестойкость значительно улучшилась по сравнению со скоростью поглощения около 50% после отжига черного кремния, легированного серой. . Кроме того, было протестировано влияние скорости сканирования фемтосекундного лазерного импульса на характеристики черного кремниевого материала, и результаты показаны на рис. 7. Можно видеть, что с уменьшением скорости количество легирующего элемента Se непрерывно увеличивается, что приводит к более очевидной форме конуса конуса из черного кремния и более высокой скорости поглощения.

Изменение морфологии поверхности и фотоэлектрических свойств материала после высокотемпературного отжига

Морфология поверхности и спектры поглощения материалов при разных скоростях сканирования a 10 мм / с, b 5 мм / с, c 2 мм / с, d 1 мм / с

Согласно теории отображения Таука, запрещенная зона материала может быть получена путем преобразования его спектра поглощения [25]:

В котором A обозначает спектральное поглощение, R - коэффициент отражения. Точка перегиба (максимальная точка первой производной) получается путем вычисления первой производной hv- (hvF (R∞)) ^1/2 кривой, и касательная к кривой проведена в этой точке. Значение абсцисс пересечения касательной и оси X - ширина запрещенной зоны образца. Результаты эквивалентной ширины запрещенной зоны для черных кремниевых материалов при различных скоростях сканирования показаны в таблице 2, при уменьшении скорости сканирования и увеличении концентрации легирования Se ширина запрещенной зоны уменьшается по сравнению с 1,12 эВ традиционных кремниевых материалов, а спектральный диапазон увеличивается.

Пин-переход двойного четырехквадрантного фотоприемника моделируется при различной ширине запрещенной зоны материалов. Результаты моделирования показаны на рис. 8; результаты показывают, что с уменьшением ширины запрещенной зоны пик поглощения фототока смещается в сторону ближней инфракрасной полосы. Таким образом, с учетом результатов моделирования, оптических и электрических характеристик фотоприемника можно выбрать оптимальную скорость сканирования.

Чувствительность черного кремния к разной ширине запрещенной зоны

Один и тот же процесс моделирования используется для определения оптимальных параметров подготовки материала в различных экспериментальных условиях, таких как плотность оптической мощности и ВЧ давление воздуха, которые показаны на рис. 9 и 10.

Морфология поверхности и спектры поглощения материалов при разном давлении воздуха HF a 1 × 10 ⁴ Па, б 3,5 × 10 ⁴ Па, c 6 × 10 ⁴ Па, д 8,5 × 10 ⁴ Па

Морфология поверхности и спектры поглощения материалов при различной плотности оптической мощности a 2,5 кДж / м ² , b 4,5 кДж / м ² , c 6,0 кДж / м ² , d 9,0 кДж / м ²

Специфические параметры обработки следующие:скорость сканирования:1 мм / с; плотность мощности лазера:4,5 кДж / м ² ; Давление газа HF:9 × 10 ⁴ Па, при указанных выше параметрах эксперимента черный кремниевый материал был приготовлен по новой технологии и изготовлен двухквадрантный фотоприемник. Физическая картина фотодетектора и результаты испытаний показаны на рис. 11, в таблицах 3 и 4, а результаты чувствительности измерены на уровне 2 мВт. Результаты показывают, что средняя чувствительность блока составляет 0,528 А / Вт на 1060 нм и 0,102 А / Вт на 1180 нм при обратном смещении 50 В, полоса отклика находится в диапазоне от 400 до 1200 нм, что в основном такое же, как при моделировании. результат. Средняя скорость спектрального поглощения превышает 90%, а средний темновой ток составляет менее 8 нА, темновой ток измеряется путем добавления черного ящика к детектору для измерения тока при обратном смещении, и результаты темнового тока немного больше, чем результаты моделирования, потому что однородность перехода в светочувствительной области по глубине не идеальна при реальной обработке. Между тем, время отклика измеряется путем считывания изменения фототока через осциллограф при использовании сигнала лазерного импульса, воздействующего на детектор, а среднее время нарастания составляет менее 12 нс, что соответствует ожидаемым результатам моделирования. Таким образом, фотодетектор, изготовленный в этой статье, не только обеспечивает точное позиционирование в четырех квадрантах, но также обеспечивает широкую полосу обнаружения, низкий темновой ток и быструю реакцию.

a Физическая картина двойного четырехквадрантного фотоприемника. б Чувствительность различных образцов двойных четырехквадрантных фотоприемников

Выводы

В этой статье предлагается новый процесс получения черного кремния, с помощью которого получают оптический материал черного кремния с высоким улавливанием, легированный Se, путем фемтосекундной лазерной абляции высокоомного кремния, покрытого пленкой Se, в атмосфере газа HF. Результаты показывают, что средняя поглощающая способность полосы 400–2200 нм перед отжигом составляет 96,81%, а поглощательная способность сохраняется на уровне 81,28% после отжига при 600 градусах. Между тем, черный кремний, полученный по новой технологии, используется в двухквадрантном фотодетекторе, результаты показывают, что средняя чувствительность блока составляет 0,528 А / Вт на 1060 нм и 0,102 А / Вт на 1180 нм при смещении 50 В, и средний темновой ток составляет 2 нА во внутренних квадрантах и ​​8 нА во внешних квадрантах. Двойной четырехквадрантный фотодетектор на основе черного кремния, усиленного ближней инфракрасной областью, обладает такими преимуществами, как высокая чувствительность, низкий темновой ток, быстрый отклик и низкие перекрестные помехи, поэтому он подходит для ряда приложений, таких как обнаружение ночного видения и медицина. поле.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, использованные или проанализированные в ходе текущего исследования, можно получить у соответствующего автора по разумному запросу.

Сокращения

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

NIR:

Ближний инфракрасный порт