Een dubbele vierkwadranten fotodetector op basis van nabij-infrarood verbeterd nanometer zwart silicium

Resultaten en discussie

In dit artikel wordt optisch Se-gedoteerd zwart siliciummateriaal met hoge opsluiting bereid door nanoseconde gepulseerde laserablatie van silicium met hoge weerstand gecoat met Se-film in een HF-gasatmosfeer. Enerzijds wordt het effect van uitgloeien op zwart silicium verminderd omdat de Se-coating oververzadigd is in plaats van het traditionele S-gedoteerde silicium te gebruiken. De diffusiesnelheid van S-atomen uit het Si-rooster is sneller dan Se; daarom is het gloei-effect slecht. Aan de andere kant wordt HF bij hoge temperatuur ontleed in H+ en F−, en interageert F-ion met siliciummateriaal dat door femtosecondelaser bij hoge temperatuur is geablateerd om vluchtig SiF4 te produceren; op deze manier wordt het oppervlak van het materiaal continu geëtst, waardoor een piramidestructuur op nanoschaal wordt gevormd. De piramide op nanoschaal geproduceerd door laseretsen vermindert effectief de reflectiviteit van zwart silicium. Ondertussen optimaliseert oppervlaktepassivering de levensduur van de minderheidsdragers en vermindert het de defectdichtheid van zwart siliciummateriaal en onnodige recombinatie van dragers. Femtosecond laser-etsen is eenvoudig en reproduceerbaar, waardoor de uniformiteit van de zwarte siliciumarray goed is, terwijl de bandbreedte van de zwarte siliciumband aanzienlijk kan worden verminderd. Door de invloed van gasatmosfeer, laservermogen en laserscansnelheid op de eigenschappen van zwart siliciummateriaal verder te bestuderen, kan de geoptimaliseerde processtroom worden verkregen. Het zwarte silicium heeft een significante verbetering in absorptie na gloeien bereid door het nieuwe proces.

Dubbele vierkwadrantenfotodetector wordt vervaardigd met behulp van zwart siliciummateriaal volgens het nieuwe proces; de schematische structuur die in dit artikel wordt voorgesteld, wordt geïllustreerd in Fig. 1. De voorgestelde fotodetector bestaat uit een lichtgevoelige laag, een isolatiegroef en een zwarte siliciumlaag. De buitendiameter van het lichtgevoelige oppervlak is 8 mm, terwijl de binnendiameter 2 mm is, en de lichtgevoelige gebieden zijn van elkaar gescheiden door isolatiesleuven. De voorgestelde fotodetector kan de offsetgrootte en oriëntatie van het doel ten opzichte van de optische as bepalen volgens verschillende kwadrantdetectieresultaten, waardoor een nauwkeurige positionering wordt bereikt.

De responsstroom, donkerstroomkarakteristiek, stijgtijd en overspraakkarakteristiek van de fotodetector worden gesimuleerd door commerciële software COMSOL Multiphysics 5.4a om de optimale structuur te ontwerpen. De responsstroom, donkerstroomkarakteristiek, stijgtijd van de fotodetector kan worden verkregen door Vgl. 1-3. Het is te zien dat de responsstroom, donkerstroom en responstijd nauw verband houden met de dikte van laag I en voorspanning wanneer het gebied, het invallende vermogen en de materiaalparameter worden bepaald; daarom worden deze parameters voornamelijk gesimuleerd.

Waarin P staat voor invallend vermogen, R is reflectie, α is absorptiecoëfficiënt, W staat voor de dikte van laag I, D is gatdiffusiecoëfficiënt en τ is Dragerlevensduur. E \(\propto\) voorspanning, t_RC staat voor circuittijdconstante die voornamelijk wordt bepaald door de equivalente weerstand en capaciteit. t_d is diffusietijd, en τ_d is transittijd.

De invloeden van omgekeerde voorspanning op de bovenstaande parameters worden geïllustreerd in Fig. 3, het is te zien dat met de toename van de voorspanning, de responsstroom en de donkerstroom ook zullen toenemen; de rijstijd zal echter worden verkort. Daarom is het noodzakelijk om de tegenstelling tussen responsstroom, stijgtijd en donkerstroom in evenwicht te brengen naarmate de voorspanning toeneemt en om de juiste voorspanning te kiezen op basis van de vraag. Op dezelfde manier wordt ook de dikte van laag I van de PIN-structuur, die in hoge mate de dikte van de fotodetector bepaalt, gesimuleerd en de resultaten worden getoond in Fig. 4. Ondertussen geeft Fig. 5 invloed op de breedte van de isolatiesleuf op de fotodetector , kan worden gezien dat wanneer de breedte van de isolatiesleuf wordt vergroot tot 100 μm, de overspraaksnelheid in principe stabiel is. Volgens de simulatieresultaten worden de optimale responsstroom, donkerstroom en stijgtijd verkregen, de specifieke apparaatparameters worden weergegeven in Tabel 1.

De responsstroom, donkerstroomkarakteristiek en stijgende tijdveranderingscurve van fotodetector bij verschillende omgekeerde voorspanning

De responsstroom, donkerstroomkarakteristiek en stijgende tijdveranderingscurve van fotodetector bij verschillende diktes van laag I

De invloed van de breedte van de isolatiesleuf op de overspraaksnelheid

Om een ​​hoge respons, hoge responssnelheid en hoge stabiliteit van de fotodetector te bereiken, zijn ook enkele fabricageprocessen geoptimaliseerd [22,23,24]. Ten eerste zijn de isolatiegroef en blokkeerring ontworpen om de overspraak tussen aangrenzende lichtgevoelige gebieden te verminderen. Ten tweede worden waferverdunnings- en polijstprocessen gebruikt om de dikte van de uitputtingslaag te verminderen om de reactiesnelheid van het apparaat te verbeteren. Ten derde is de voorbereiding van zwart silicium door femtoseconde laserablatie in één stap cruciaal om een ​​goede herhaalbaarheid en stabiliteit van zwarte siliciummaterialen te bereiken. Ten slotte wordt de ondergrondse passiveringsbehandeling van de zwarte siliciumlaag gebruikt om de dichtheid van de oppervlaktedefecttoestand te verminderen en te reguleren en de doodgewichtverbinding van fotogene dragers te verminderen om een ​​hoge responsiviteit van de fotodetector te bereiken. Het specifieke fabricageproces van de fotodetector wordt getoond in Fig. 2. Het uiteindelijke apparaatdiagram wordt getoond in Fig. 2j, waarin de dikte van laag I 180 m is en de dikte van laag PN 10 μm, P ⁺ wordt gevormd door zware dotering van B op P-type silicium, N ⁺ wordt gevormd door diffusie van P en de contactelektrode is afgezet door thermische verdamping.

Figuur 6 toont de veranderingen van de oppervlaktemorfologie en foto-elektrische eigenschappen van high-notch lichtgevoelig Se-gedoteerd zwart silicium na gloeien bij hoge temperatuur, de specifieke bewerkingsparameters zijn als volgt:scansnelheid:1 mm/s; laservermogensdichtheid:4,5 kJ/m ² ; HF-gasdruk:9 × 10 ⁴ Pa. In de figuur is te zien dat de oppervlaktemorfologie voor en na gloeien bij hoge temperatuur gelijkmatiger is verdeeld over de taps toelopende zwarte siliciumarray op nanoschaal zonder duidelijke verandering. In termen van het absorptiespectrum bereikte de gemiddelde absorptiesnelheid na uitgloeien van zwart silicium gemaakt onder het nieuwe proces in dit artikel 83,12%, de brandweerstand verbeterde aanzienlijk in vergelijking met de absorptiesnelheid van ongeveer 50% na uitgloeien van S-gedoteerd zwart silicium . Verder werd het effect van de scansnelheid van de femtoseconde laserpuls op de prestaties van zwart siliciummateriaal getest, en de resultaten worden geïllustreerd in Fig. 7. Het is te zien dat met de afname van de snelheid de doteringshoeveelheid van het Se-element continu toeneemt, wat leidt tot de meer voor de hand liggende vorm van de zwarte siliconen puntkegel en een hogere absorptiesnelheid.

De veranderingen van de oppervlaktemorfologie en foto-elektrische eigenschappen van materiaal na gloeien bij hoge temperatuur

De oppervlaktemorfologie en absorptiespectra van de materialen bij verschillende scansnelheden a 10 mm/s, b 5 mm/s, c 2 mm/s, d 1 mm/sec

Volgens de Tauc-karteringstheorie kan de bandgap van materiaal worden verkregen door de transformatie van het absorptiespectrum [25]:

Waar A staat voor spectrale absorptie, is R reflectie. Het buigpunt (het maximale punt van de eerste afgeleide) wordt verkregen door de eerste afgeleide van de hv-(hvF(R∞)) ^1/2 te berekenen kromme, en de raaklijn van de kromme wordt op dit punt gemaakt. De absciswaarde van het snijpunt van de raaklijn en de X-as is de bandgap van het monster. De equivalente bandbreedteresultaten van zwarte siliciummaterialen bij verschillende scansnelheden worden weergegeven in Tabel 2, met de afname van de scansnelheid en de toename van de Se-dopingconcentratie, neemt de bandbreedte af in vergelijking met de 1,12 eV van traditionele siliciummaterialen, en de spectrale band neemt toe.

De PIN-junctie van een dubbele vierkwadrantenfotodetector wordt gesimuleerd op verschillende bandgap van materialen. De simulatieresultaten worden geïllustreerd in Fig. 8; de resultaten laten zien dat met de afname van de bandbreedte van de bandgap, de fotostroomabsorptiepiek wordt verschoven naar de nabij-infrarode band. Daarom kan, rekening houdend met de simulatieresultaten, de optische en elektrische prestaties van de fotodetector, de optimale scansnelheid worden geselecteerd.

Reactie van zwart silicium door verschillende bandgap

Hetzelfde simulatieproces wordt gebruikt om de optimale parameters voor materiaalvoorbereiding te bepalen onder verschillende experimentele omstandigheden, zoals optische vermogensdichtheid en HF-luchtdruk, die worden getoond in Fig. 9 en 10.

De oppervlaktemorfologie en absorptiespectra van de materialen bij verschillende HF-luchtdruk a 1 × 10 ⁴ Pa, b 3.5 × 10 ⁴ Pa, c 6 × 10 ⁴ Pa, d 8.5 × 10 ⁴ Pa

De oppervlaktemorfologie en absorptiespectra van de materialen bij verschillende optische vermogensdichtheid a 2,5 kJ/m ² , b 4,5 kJ/m ² , c 6,0 kJ/m ² , d 9,0 kJ/m ²

De specifieke bewerkingsparameters zijn als volgt:scansnelheid:1 mm/s; laservermogensdichtheid:4,5 kJ/m ² ; HF-gasdruk:9 × 10 ⁴ Pa, onder de bovenstaande experimentele parameters, werd het zwarte siliciummateriaal bereid met de nieuwe technologie en werd de dubbele vierkwadrantenfotodetector gemaakt. Het fysieke beeld van de fotodetector en de testresultaten worden getoond in Fig. 11, Tabellen 3 en 4, en de resultaten van het reactievermogen worden gemeten per laag van 2 mW. De resultaten laten zien dat de gemiddelde reactiesnelheid van de eenheid 0,528 A/W is bij 1060 nm en 0,102 A/W bij 1180 nm bij een omgekeerde bias van 50 V, de responsband varieert van 400 tot 1200 nm, wat in principe hetzelfde is als de simulatie resultaat. De gemiddelde spectrale absorptiesnelheid is meer dan 90% en de gemiddelde donkerstroom is minder dan 8 nA, de donkerstroom wordt gemeten door een zwarte doos aan de detector toe te voegen om de stroom onder de omgekeerde voorspanning te meten, en de resultaten van donkerstroom zijn iets groter dan de simulatieresultaten, omdat de diepte-uniformiteit van de junctie in het lichtgevoelige gebied niet ideaal is bij de daadwerkelijke verwerking. Ondertussen wordt de responstijd gemeten door de verandering van de fotostroom door een oscilloscoop te lezen bij gebruik van een laserpulssignaal dat op de detector werkt, en de gemiddelde stijgtijd is minder dan 12 ns, wat overeenkomt met de verwachte simulatieresultaten. Daarom bereikt de in dit document vervaardigde fotodetector niet alleen een nauwkeurige positionering van vier kwadranten, maar zorgt ook voor een brede detectieband, een lage donkerstroom en een snelle respons.

a Het fysieke beeld van een dubbele vierkwadrantenfotodetector. b De responsiviteit van verschillende dubbele vierkwadrant fotodetectorsamples