Высокоэффективный двухчетырехквадрантный ближнеинфракрасный фото детектор на нанометровом черном кремнии

Аннотация

В данной работе предложен новый процесс приготовления нанометрового черного кремния, с помощью которого высокопоглощающий оптическим селен-допированный черный кремний получается путем наносекундного лазерного абляции высокоомного кремния, покрытого пленкой селена, в атмосфере HF газа. Результаты показывают, что средняя поглощающая способность в диапазоне 400–2200 нм до отжига составляет 96,81%, а после отжига при 600 °C сохраняется на уровне 81,28%. При этом черный кремний, полученный по новой технологии, используется в двойном четырехквадрантном фото детекторе: при обратном смещении 50 В средняя единичная чувствительность составляет 0,528 А/Вт при 1060 нм и 0,102 А/Вт при 1180 нм, средний темновой ток — 2 нА во внутренних квадрантах и 8 нА во внешних. Двухчетырехквадрантный фото детектор на основе ближнеинфракрасного усиленного черного кремния обладает преимуществами: высокая чувствительность, низкий темновой ток, быстрый отклик и низкий перехлест, что делает его подходящим для ряда приложений, таких как ночное видение и медицинская сфера.

Введение

Ближнеинфракрасные фото детекторы [1–3] трудно получить с удовлетворительной характеристикой по сравнению с детекторами на других длинах волн [4–6], потому что они ограничены диапазоном отклика, скоростью отклика, темновым током и перехлестом в ближнем ИК диапазоне. Однако с момента разработки Кареем первым детектором ИК на черном кремнии в 2005 г., ближнеИК фото детекторы на основе черного кремния начали стремительно развиваться. Производительность черного кремния Карея далеко превосходила характеристики одно кристаллических кремниевых ИК детекторов. Вскоре исследователи добавили технологию пассивации к детекторам на черном кремнии для снижения темнового тока. Черный кремний [7–9] стал предпочтительным материалом для кремниевых ближнеИК фото детекторов благодаря высокому коэффициенту поглощения и широкому спектру поглощения.

Как один из самых важных материалов в полупроводниковой промышленности, критически важно хорошо управлять качеством обработки материалов черного кремния [10–14]. Приготовление черного кремния с широким спектром, высоким поглощением и низкими дефектами необходимо для высокопроизводительных ближнеИК фото детекторов. Существуют исследования о приготовлении черного черного кремния с помощью фемтосекундного лазера [15, 16] сканирования в атмосфере SF6 [17, 18], и материал черного кремния в ультрафиолетовом — ближнем ИК диапазоне может достичь более 90% поглощения [19]. Однако поглощение в ближнем ИК регионе снижается до около 50% после высокотемпературного отжига. В то же время исследователи обнаружили, что поглощение Se- и Te-допированного черного кремния значительно снижается при отжиге по сравнению с S-допированным черным кремнием, но при допировании твердой пленкой Se и Te материал черного кремния готовится в форме холмов, и захват света недостаточно хорош [20, 21].

В этой работе предложен новый процесс приготовления нанометрового черного кремния, которым высокопоглощающий оптическим Se-допированный черный кремний получается наносекундной лазерной абляцией высокоомного кремния, покрытого пленкой Se, в атмосфере HF газа. Результаты показывают, что средняя поглощающая способность диапазона 400–2200 нм до отжига составляет 96,81%, а после отжига при 600 °C сохраняется на уровне 81,28%. При этом черный кремний, полученный по новой технологии, используется в двойном четырехквадрантном фото детекторе: при смещении 50 В средняя единичная чувствительность составляет 0,528 А/Вт при 1060 нм и 0,102 А/Вт при 1180 нм, средний темновой ток — 2 нА во внутренних квадрантах и 8 нА во внешних. Двухчетырехквадрантный фото детектор на основе ближнеИК усиленного черного кремния обладает преимуществами: высокая чувствительность, низкий темновой ток, быстрый отклик и низкий перехлест, поэтому он подходит для ряда направлений применения, таких как ночное видение и медицинская сфера.

Метод

Фото детектор изготавливали и тестировали следующими процессами. Во-первых, готовили материал черного кремния: N-тип высокоомный кремниевый подвиз резали на образец 5 см × 5 см, образец чистили стандартной процедурой и сушили в атмосфере азота. Затем порошок Se чистотой 99,99% использовали как источник испарения, и пленку Se осаждали на поверхности Si образца вакуумным напылением. В процесс фемтосекундного лазерного травления вводили HF газ, параметры обработки: скорость сканирования 1 мм/с; плотность мощности лазера 4,5 кДж/м²; давление HF газа 9 × 10⁴ Па. Фемтосекундный лазер, используемый в работе — Ti:сапфировый фемтосекундный лазерный усилитель компании Spectra-Physics. Во-вторых, двухчетырехквадрантный фото детектор готовили из материала черного кремния, схематическая структура и конкретные технологические процессы показаны на Рис. 1 и 2. В-третьих, морфологии черного кремния характеризовали полевым электронно-лучевым сканирующим микроскопом (SEM), спектральные характеристики материала тестировали NIR2500 волоконно-оптическим спектрометром и интегрирующей сферой. Одновременно измеряли фототок, характеристики темнового тока, время нарастания фото детектора. Во время теста источником света служил лазер диапазона Amonics, темновой ток измеряли добавлением черного ящика к детектору для измерения тока при обратном смещении, а время отклика — считыванием изменения фототока через осциллограф при действии лазерного импульса на детектор.

Результаты и обсуждение

В этой работе высокопоглощающий оптическим Se-допированный черный кремний получен наносекундной лазерной абляцией высокоомного кремния, покрытого пленкой Se, в атмосфере HF газа. С одной стороны, эффект отжига на черный кремний снижен, потому что покрытие Se наднасыщено вместо традиционного S-допированного кремния. Скорость диффузии атомов S из кристаллической решетки Si выше, чем Se; поэтому эффект отжига слаб. С другой стороны, HF при высокой температуре разлагается на H⁺ и F⁻, и ион фтора взаимодействует с кремниевым материалом, облученным фемтосекундным лазером при высокой температуре, образуя летучий SiF₄; таким образом, поверхность материала непрерывно травляется, формируя наномасштабную пирамидальную структуру, нанопирамиды, полученные лазерным травлением, эффективно снижают отражательную способность черного кремния. Одновременно поверхностная пассивация оптимизирует время жизни мажоритарных носителей заряда, снижает плотность дефектов материала черного кремния и ненужную рекомбинацию фотоносителей. Фемтосекундное лазерное травление просто и воспроизводимо, обеспечивая хорошую однородность массива черного кремния, при этом ширину запрещенной зоны черного кремния можно 크게 снизить. Дальнейшее изучение влияния газовой атмосферы, мощности лазера и скорости сканирования на свойства материала черного кремния позволяет получить оптимизированный технологический процесс. Черный кремний, приготовленный новым процессом, демонстрирует значительное улучшение поглощения после отжига.

Двухчетырехквадрантный фото детектор изготовлен из материала черного кремния по новому процессу; предложенная схематическая структура показана на Рис. 1. Предлагаемый фото детектор состоит из фоточувствительного слоя, изоляционной желобки и слоя черного кремния. Внешний диаметр фоточувствительной поверхности 8 мм, внутренний — 2 мм, фоточувствительные области разделены изоляционными щелями. Предлагаемый детектор может определять величину и направление смещения цели относительно оптической оси по результатам детекции разных квадрантов, обеспечивая точное позиционирование.

Фототок, характеристики темнового тока, время нарастания и перехлест фото детектора моделировались коммерческим ПО COMSOL Multiphysics 5.4a для проектирования оптимальной структуры. Фототок, темновой ток и время отклика можно получить уравнениями 1–3. Видно, что фототок, темновой ток и время отклика тесно связаны с толщиной слоя I и смещением при заданной площади, падающей мощности и параметрах материала; поэтому эти параметры в основном моделируются.

$$I_{p} = \frac{qP(1-R)}{hv} \cdot \left(1 - \frac{e^{-\alpha W}}{1 + \alpha \sqrt{D\tau}}\right) + qP\frac{D}{\sqrt{D\tau}}$$ (1)

$$I_{D} = \sqrt{Aqn\frac{W}{2\tau}} + \left(\frac{2m}{E_{g}}\right)^{\frac{1}{2}} \left(\frac{q^{3} E v}{4\pi^{2} \hbar^{2}}\right)A e^{\left(-\frac{4}{3qE\hbar}\sqrt{2mE_{g}^{3}}\right)}$$ (2)

$$T = \sqrt{(2.2t_{RC})^{2} + t_{d}^{2} + \tau_{d}^{2}}$$ (3)

Где P — падающая мощность, R — отражательность, α — коэффициент поглощения, W — толщина слоя I, D — коэффициент диффузии дыр, τ — время жизни носителей. E ∝ смещению, t_RC — постоянная времени цепи, определяемая эквивалентным сопротивлением и емкостью. t_d — время диффузии, τ_d — время транзита.

Влияние обратного смещения на вышеуказанные параметры показано на Рис. 3: с увеличением смещения растут фототок и темновой ток, но время нарастания уменьшается. Поэтому необходимо балансировать противоречие между фототоком, временем нарастания и темновым током при увеличении смещения и выбирать соответствующее смещение согласно требованиям. Аналогично моделируется толщина слоя I PIN-структуры, которая во многом определяет толщину фото детектора, результаты на Рис. 4. На Рис. 5 показано влияние ширины изоляционной щели на фото детектор: при увеличении ширины до 100 мкм коэффициент перехлеста стабилизируется. Согласно результатам моделирования, получены оптимальные фототок, темновой ток и время нарастания, конкретные параметры устройства приведены в Таблице 1.

Для достижения высокого отклика, быстрой скорости отклика и высокой стабильности фото детектора также оптимизировали некоторые технологические процессы [22–24]. Во-первых, изоляционная желобка и блокирующее кольцо спроектированы для снижения перехлеста между соседними фоточувствительными областями. Во-вторых, процессы тонкошлифовки и полировки подвиза используются для уменьшения толщины зоны истощения для повышения скорости отклика устройства. В-третьих, приготовление черного кремния однопасовым фемтосекундным лазерным абляцией является ключевым для достижения хорошей повторяемости и стабильности материалов черного кремния. В-четвертых, подповерхностная пассивация слоя черного кремния используется для снижения и регулирования плотности поверхностных дефектных состояний и уменьшения рекомбинации фотоносителей для достижения высокой чувствительности фото детектора. Конкретный технологический процесс показан на Рис. 2. Итоговая схема устройства на Рис. 2j: толщина слоя I 180 мкм, толщина слоя P N 10 мкм, P⁺ образован тяжелым легированием бора на P-типе кремния, N⁺ — диффузией фосфора, контактный электрод осажден термическим испарением.

Рис. 6 показывает изменения поверхностной морфологии и фотоэлектрических свойств высокочувствительного Se-допированного черного кремния после высокотемпературного отжига, параметры обработки: скорость сканирования 1 мм/с; плотность мощности лазера 4,5 кДж/м²; давление HF газа 9 × 10⁴ Па. Видно, что поверхностная морфология до и после высокотемпературного отжига более равномерно распределена в наномасштабном коническом массиве черного кремния без явных изменений. По спектру поглощения средняя поглощающая способность после отжига черного кремния, полученного новым процессом, достигла 83,12%, устойчивость к огню значительно улучшилась по сравнению с поглощением около 50% после отжига S-допированного черного кремния. Кроме того, изучали влияние скорости сканирования фемтосекундного лазерного импульса на свойства материала черного кремния, результаты на Рис. 7. Видно, что с уменьшением скорости дозировка элемента Se непрерывно возрастает, что приводит к более выраженной форме конуса черного кремния и более высокой поглощающей способности.

Согласно теории отображения Тока, ширину запрещенной зоны материала можно получить преобразованием его спектра поглощения [25]:

$$F(R_{\infty}) \approx \frac{A^{2}}{2R}$$ (4)

$$(h\nu \alpha)^{\frac{1}{n}} = K(h\nu - E_g)$$ (5)

$$h\nu = \frac{1239,7}{\lambda}$$ (6)

$$(h\nu F(R_{\infty}))^{\frac{1}{2}} = K(h\nu - E_g)$$ (7)

Где A — спектральное поглощение, R — отражательность. Перегиб (максимум первой производной) получают вычислением первой производной кривой hv-(hvF(R∞))^1/2, и проводят касательную к кривой в этой точке. Абсцисса точки пересечения касательной с осью X — это ширина запрещенной зоны образца. Результаты эквивалентной ширины запрещенной зоны материалов черного кремния при разных скоростях сканирования показаны в Таблице 2: с уменьшением скорости сканирования и увеличением концентрации допирования Se ширина запрещенной зоны уменьшается по сравнению с 1,12 эВ традиционного кремния, а спектральный диапазон расширяется.

PIN-переход двухчетырехквадрантного фото детектора моделировали при разных ширин запрещенных зон материалов. Результаты моделирования на Рис. 8: с уменьшением ширины запрещенной зоны пик фототока смещается в ближний ИК диапазон. Поэтому, учитывая результаты моделирования, оптико-электрические характеристики фото детектора, можно выбрать оптимальную скорость сканирования.

Тот же процесс моделирования использовали для определения оптимальных параметров приготовления материала при разных экспериментальных условиях, таких как плотность оптической мощности и давление HF воздуха, показанные на Рис. 9 и 10.

Конкретные параметры обработки: скорость сканирования 1 мм/с; плотность мощности лазера 4,5 кДж/м²; давление HF газа 9 × 10⁴ Па. При этих параметрах черный кремний приготовили новой технологией и изготовили двухчетырехквадрантный фото детектор. Физическое фото детектора и результаты тестов показаны на Рис. 11, Таблицах 3 и 4, результаты чувствительности измеряли на слое 2 мВт. Результаты показывают, что средняя единичная чувствительность составляет 0,528 А/Вт при 1060 нм и 0,102 А/Вт при 1180 нм при обратном смещении 50 В, диапазон отклика 400–1200 нм, что в основном совпадает с результатами моделирования. Средний спектральный коэффициент поглощения свыше 90%, средний темновой ток менее 8 нА, темновой ток измеряли добавлением черного ящика к детектору для измерения тока при обратном смещении, результаты темнового тока немного выше моделирования, так как глубина均匀ность перехода в фоточувствительной области не идеальна в реальной обработке. Время отклика измеряли считыванием изменения фототока через осциллограф при действии лазерного импульса на детектор, среднее время нарастания менее 12 нс, что соответствует ожидаемым результатам моделирования. Следовательно, фото детектор, изготовленный в этой работе, не только обеспечивает четырехквадрантное точное позиционирование, но также гарантирует широкий детектирующий диапазон, низкий темновой ток и быстрый отклик.

Заключение

В работе предложен новый процесс приготовления черного кремния, которым высокопоглощающий оптическим Se-допированный черный кремний получается фемтосекундной лазерной абляцией высокоомного кремния, покрытого пленкой Se, в атмосфере HF газа. Результаты показывают, что средняя поглощающая способность диапазона 400–2200 нм до отжига составляет 96,81%, а после отжига при 600 °C сохраняется на уровне 81,28%. При этом черный кремний, полученный новой технологией, используется в двухчетырехквадрантном фото детекторе: средняя единичная чувствительность 0,528 А/Вт при 1060 нм и 0,102 А/Вт при 1180 нм при смещении 50 В, средний темновой ток 2 нА во внутренних квадрантах и 8 нА во внешних. Двухчетырехквадрантный фото детектор на основе ближнеИК усиленного черного кремния обладает преимуществами: высокая чувствительность, низкий темновой ток, быстрый отклик и низкий перехлест, поэтому он подходит для ряда направлений применения, таких как ночное видение и медицинская сфера.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, использованные или проанализированные в ходе текущего исследования, доступны у соответствующего автора по обоснованному запросу.

Аббревиатуры

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

NIR:

Ближний инфракрасный