Hoogefficiënte dubbele vierkwadrant nabij-infrarood fotodetector met nanometerschaal zwart silicium

Samenvatting

In dit artikel wordt een nieuw bereidingsproces van nanometer zwart silicium voorgesteld, waarmee hoog lichtgevang zwart silicium materiaal gedopeerd met Se wordt bereid door nanoseconde gepulste laserablatie van hoogweerstandig silicium gecoateerd met Se-film in HF-gasatmosfeer. De resultaten tonen aan dat de gemiddelde absorptie van het 400-2200 nm band voor aannealing 96,81% is, en de absorptie blijft 81,28% na aannealing bij 600 graden. Tegelijkertijd wordt zwart silicium bereid onder de nieuwe technologie gebruikt in een dubbele vierkwadrant fotodetector; de resultaten tonen aan dat, bij een omgekeerde bias van 50 V, de gemiddelde eenheidsresponsiviteit 0,528 A/W is bij 1060 nm en 0,102 A/W bij 1180 nm, en de gemiddelde donkere stroom 2 nA is bij de binnenste kwadranten en 8 nA bij de buitenste kwadranten. De dubbele vierkwadrant fotodetector gebaseerd op nabij-infrarood versterkt zwart silicium heeft de voordelen van hoge responsiviteit, lage donkere stroom, snelle respons en lage crosstalk, waardoor het geschikt is voor een reeks toepassingen, zoals nachtvisiedetectie en medische toepassingen.

Inleiding

Nabij-infrarood versterkte fotodetectoren is moeilijk te verkrijgen met voldoende prestaties vergeleken met fotodetectoren bij andere golflengtes omdat het beperkt wordt door responsbereik, responssnelheid, donkere stroom en crosstalk in het nabij-infraroodband. Echter, sinds Carey de eerste zwart silicium infrarood detector ontwikkelde in 2005, begon de nabij-infrarood fotodetector gebaseerd op zwart silicium materiaal zich snel te ontwikkelen. De prestaties van zwart silicium ontwikkeld door Carey overstijgen ver de prestaties van monokristallijn silicium infrarood detector. Binnenkort voegden sommige onderzoekers passivatietechnologie toe aan zwart silicium detector om de donkere stroom te verminderen. Zwart silicium werd het favoriete materiaal voor silicium-gebaseerde nabij-infrarood versterkte fotodetector vanwege zijn hoge absorptie en brede absorptiespectrum.

Als een van de belangrijkste materialen in de halfgeleiderindustrie, is het cruciaal om de verwerkingskwaliteit van zwart silicium materialen goed te beheren. De bereiding van zwart silicium met wijd spectrum, hoge absorptie en lage defecten is essentieel voor hoge prestaties nabij-infrarood fotodetectoren. Er zijn enkele onderzoeken over de bereiding van zwart silicium materialen door gebruik van femtoseconde laser scanning in SF6-atmosfeer, en het zwart silicium materiaal in de ultraviolet tot nabij-infrarood band kan meer dan 90% absorptie bereiken. Echter, de absorptie in het nabij-infrarood gebied wordt gereduceerd tot ongeveer 50% na hoge-temperatuur aannealing. Ondertussen vonden onderzoekers dat de absorptie van Se- en Te-gedopeerd zwart silicium significant wordt gereduceerd door aannealing vergeleken met S-gedopeerd zwart silicium, maar onder het dopingsproces van vast Se en Te-membraan wordt het zwart silicium materiaal in de vorm van heuvel bereid, en de lichtvangst is niet goed genoeg.

In dit artikel wordt een nieuw bereidingsproces van nanometer zwart silicium voorgesteld, waarmee hoog lichtgevang zwart silicium materiaal gedopeerd met Se wordt bereid door nanoseconde gepulste laserablatie van hoogweerstandig silicium gecoateerd met Se-film in HF-gasatmosfeer. De resultaten tonen aan dat de gemiddelde absorptie van 400-2200 nm band voor aannealing 96,81% is, en de absorptie blijft 81,28% na aannealing bij 600 graden. Tegelijkertijd wordt zwart silicium bereid onder de nieuwe technologie gebruikt in dubbele vierkwadrant fotodetector, de resultaten tonen aan dat de gemiddelde eenheidsresponsiviteit 0,528 A/W is bij 1060 nm en 0,102 A/W bij 1180 nm bij een bias van 50 V, en de gemiddelde donkere stroom is 2 nA bij de binnenste kwadranten en 8 nA bij de buitenste kwadranten. De dubbele vierkwadrant fotodetector gebaseerd op nabij-infrarood versterkt zwart silicium heeft de voordelen van hoge responsiviteit, lage donkere stroom, snelle respons en lage crosstalk, waardoor het geschikt is voor een reeks toepassingen, zoals nachtvisiedetectie en medische toepassingen.

Methode

De fotodetector werd geproduceerd en getest door de volgende processen. Eerst werd het zwart silicium materiaal bereid, N-type hoogweerstandig silicium wafer werd gesneden in 5 cm × 5 cm monster, en het monster werd gereinigd met standaard reinigingsprocedure en drooggeblazen in stikstofatmosfeer. Vervolgens werd Se-poeder met 99,99% zuiverheid gebruikt als verdampingsbron, en een Se-film werd gedeponeerd op het oppervlak van Si-monster door vacuümcoatingmachine. HF-gas werd geïntroduceerd in het femtoseconde laser etsproces, en de verwerkingsparameters zijn als volgt: scansnelheid: 1 mm/s; laserdichtheid: 4,5 kJ/m²; HF-gasdruk: 9 × 10⁴ Pa. De femtoseconde laser die in dit artikel wordt gebruikt, is de Ti:saffier femtoseconde laserversterker geproduceerd door Spectra-Physics Corporation. Ten tweede werd dubbele vierkwadrant fotodetector bereid door gebruik van zwart silicium materiaal, het schematische structuur van dubbele vierkwadrant fotodetector en de specifieke productieprocessen worden getoond in Fig. 1 en 2. Ten slotte werden de morfologieën van zwart gekarakteriseerd door een veldemissie scanning elektronenmicroscoop (SEM), en de spectrale eigenschappen van het materiaal werden getest door NIR2500 vezeloptische spectrometer en integrerende bol. Tegelijkertijd werden de responsstroom, donkere stroom karakteristiek, opstijgtijd van fotodetector getest. Tijdens de test is de lichtbron een laser van de Amonics-band, de donkere stroom wordt gemeten door een zwarte doos aan de detector toe te voegen om de stroom onder de omgekeerde bias te meten, en de responstijd wordt gemeten door de verandering van fotostroom te lezen via een oscilloscoop bij gebruik van een laserpuls signaal dat op de detector werkt.

Resultaten en discussie

In dit artikel wordt hoog lichtgevang Se-gedopeerd zwart silicium materiaal bereid door nanoseconde gepulste laserablatie van hoogweerstandig silicium gecoateerd met Se-film in HF-gasatmosfeer. Enerzijds wordt het effect van aannealing op zwart silicium verminderd omdat de Se-coating verzadigd is in plaats van het traditionele S-gedopeerde silicium. De diffusiesnelheid van S-atomen uit het Si-rooster is sneller dan Se; daarom is het aannealingseffect slecht. Anderzijds wordt HF ontbonden in H+ en F- bij hoge temperatuur, en F-ion interageert met siliciummateriaal geablateerd door femtoseconde laser bij hoge temperatuur om vluchtig SiF4 te produceren; op deze manier wordt het oppervlak van het materiaal continu geëtst, vormend een nanoschaalse piramide structuur, de nanoschaalse piramide geproduceerd door laseretsen verlaagt effectief de reflectiviteit van zwart silicium. Tegelijkertijd optimaliseert oppervlaktepassivatie de levensduur van de minderheidsladingsdragers, en het vermindert de defectdichtheid van zwart silicium materiaal en onnodige ladingsdragerrecombinatie. Femtoseconde laser etsen is eenvoudig en reproduceerbaar, waarmee de uniformiteit van het zwart silicium array goed is, terwijl de zwart silicium bandgatbreedte aanzienlijk kan worden verminderd. Door verder te bestuderen de invloed van gasatmosfeer, laservermogen en laserscansnelheid op de eigenschappen van zwart silicium materiaal, kan het geoptimaliseerde procesverloop worden verkregen. Het zwart silicium heeft een significante verbetering in absorptie na aannealing bereid door het nieuwe proces.

Dubbele vierkwadrant fotodetector wordt geproduceerd door gebruik van zwart silicium materiaal onder het nieuwe proces; het voorgestelde schematische structuur is geïllustreerd in Fig. 1. De voorgestelde fotodetector bestaat uit gevoelige laag, isolatiegroef en zwart silicium laag. De buitendiameter van het gevoelige oppervlak is 8 mm, terwijl de binnenste diameter 2 mm is, en de gevoelige gebieden worden 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 nauwkeurige positionering wordt bereikt.

De responsstroom, donkere stroom karakteristiek, opstijgtijd en crosstalk karakteristiek van de fotodetector worden gesimuleerd door commerciële software COMSOL Multiphysics 5.4a om de optimale structuur te ontwerpen. De responsstroom, donkere stroom karakteristiek, opstijgtijd van fotodetector kunnen verkregen worden door Verg. 1-3. Het kan worden gezien dat de responsstroom, donkere stroom en responstijd nauw gerelateerd zijn aan de dikte van laag I en bias spanning wanneer het gebied, incident vermogen en materiaalparameter zijn bepaald; daarom worden deze parameters voornamelijk gesimuleerd.

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

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

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

Waarbij P staat voor incident vermogen, R is reflectiviteit, α is absorptiecoëfficiënt, W staat voor de dikte van laag I, D is gatdiffusiecoëfficiënt, en τ is ladingsdragerlevensduur. E \(\propto\) bias spanning, t_RC staat voor circuitstijdconstante die voornamelijk bepaald wordt door de equivalente weerstand en capaciteit. t_d is diffusietijd, en τ_d is doorgangstijd.

De invloeden van omgekeerde bias spanning op de bovenstaande parameters worden geïllustreerd in Fig. 3, het kan worden gezien dat met de toename van de bias spanning, de responsstroom en de donkere stroom ook zullen toenemen; echter, de opstijgtijd zal afnemen. Daarom is het nodig om het conflict tussen responsstroom, opstijgtijd en donkere stroom te balanceren naarmate de bias toeneemt en de juiste bias te kiezen volgens de vraag. Op dezelfde manier wordt de dikte van laag I van de PIN-structuur, die de dikte van de fotodetector in grote mate bepaalt, ook gesimuleerd en de resultaten worden getoond in Fig. 4. Tegelijkertijd geeft Fig. 5 de invloed van isolatiesleufbreedte op fotodetector, het kan worden gezien dat wanneer de isolatiesleufbreedte wordt verhoogd tot 100 µm, de crosstalk ratio in wezen stabiel is. Volgens de simulatieresultaten worden de optimale responsstroom, donkere stroom en opstijgtijd verkregen, de specifieke apparaatparameters worden getoond in Tabel 1.

Om hoge respons, snelle responssnelheid en hoge stabiliteit van de fotodetector te bereiken, zijn ook enkele productieprocessen geoptimaliseerd. Eerst worden de isolatiegroef en blokkerring ontworpen om de crosstalk tussen aangrenzende gevoelige gebieden te verminderen. Ten tweede worden waferverdunning en polijstprocessen gebruikt om de depletielaagdikte te verminderen om de apparaatresponssnelheid te verbeteren. Derde is de bereiding van zwart silicium door eenstaps femtoseconde laserablatie cruciaal om goede herhaalbaarheid en stabiliteit van zwart silicium materialen te bereiken. Ten slotte wordt de suboppervlaktepassivatiebehandeling van zwart silicium laag gebruikt om de dichtheid van oppervlakte defecttoestanden te verminderen en regelen en de dode-gewichtsrecombinatie van fotogegenereerde ladingsdragers te verminderen om hoge responsiviteit van de fotodetector te bereiken. Het specifieke productieproces van de fotodetector wordt getoond in Fig. 2. Het finale apparaatdiagram wordt getoond in Fig. 2j, waarin de dikte van laag I 180 µm is en de dikte van laag P N 10 µm is, P⁺ wordt gevormd door zware doping van B op P-type silicium, N⁺ wordt gevormd door diffusie van P, en de contactelektrode werd gedeponeerd door thermische verdamping.

Figuur 6 toont de veranderingen van de oppervlaktemorfologie en fotoelektrische eigenschappen van hoog-gevoelig Se-gedopeerd zwart silicium na hoge-temperatuur aannealing, de specifieke verwerkingsparameters zijn als volgt: scansnelheid: 1 mm/s; laserdichtheid: 4,5 kJ/m²; HF-gasdruk: 9 × 10⁴ Pa. Het kan in de figuur worden gezien dat de oppervlaktemorfologie voor en na hoge-temperatuur aannealing meer gelijkmatig verdeeld is op de nanoschaalse getapte zwart silicium array zonder duidelijke verandering. Wat het absorptiespectrum betreft, bereikte de gemiddelde absorptiesnelheid na aannealing van zwart silicium gemaakt onder het nieuwe proces in dit artikel 83,12%, de brandbestendigheid verbeterde significant vergeleken met de absorptiesnelheid van ongeveer 50% na aannealing van S-gedopeerd zwart silicium. Verder werd het effect van femtoseconde laserpuls scansnelheid op de prestaties van zwart silicium materiaal getest, en de resultaten zijn geïllustreerd in Fig. 7. Het kan worden gezien dat met de afname van snelheid, de dopingshoeveelheid van Se-element continu toeneemt, wat leidt tot duidelijker vorm van zwart silicium topkegel en hogere absorptiesnelheid.

Volgens Tauc-afbeeldingstheorie kan de bandgat van het materiaal verkregen worden door de transformatie van zijn absorptiespectrum:

$${\text{F}}\left( {{\text{R}}\infty } \right) \approx \frac{{{\text{A}}^{{2}} }}{{{\text{2R}}}}$$ (4)

$$\left( {{\text{h}}\nu \alpha } \right)^{{\frac{{1}}{{\text{n}}}}} = {\text{K}}\left( {{\text{h}}\nu - {\text{Eg}}} \right)$$ (5)

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

$$\left( {{\text{h}}\nu {\text{F}}\left( {{\text{R}}\infty } \right)} \right)^{{\frac{{1}}{{2}}}} = {\text{K}}\left( {{\text{h}}\nu - {\text{Eg}}} \right)$$ (7)

Waarbij A staat voor spectrale absorptie, R is reflectiviteit. Het knikpunt (het maximumpunt van de eerste afgeleide) wordt verkregen door de eerste afgeleide van de hv-(hvF(R∞))^1/2 kromme te berekenen, en de raaklijn van de kromme wordt gemaakt op dit punt. De abciswaarde van het snijpunt van de raaklijn en de X-as is de bandgat van het monster. De equivalente bandgatbreedte resultaten van zwart silicium materialen bij verschillende scansnelheden worden getoond in Tabel 2, met de afname van scansnelheid en de toename van Se-dopingsconcentratie, neemt de bandgatbreedte af vergeleken met de 1,12 eV van traditionele silicium materialen, en het spectrale band neemt toe.

De PIN-overgang van dubbele vierkwadrant fotodetector wordt gesimuleerd bij verschillende bandgaten van materialen. De simulatieresultaten zijn geïllustreerd in Fig. 8; de resultaten tonen aan dat met de afname van de bandgatbreedte, de fotostroomabsorptiepiek verschuift naar het nabij-infraroodband. Daarom, rekening houdend met de simulatieresultaten, de optische en elektrische prestaties van de fotodetector, kan de optimale scansnelheid worden geselecteerd.

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

De specifieke verwerkingsparameters zijn als volgt: scansnelheid: 1 mm/s; laserdichtheid: 4,5 kJ/m²; HF-gasdruk: 9 × 10⁴ Pa, onder de bovenstaande experimentele parameters werd het zwart silicium materiaal bereid door de nieuwe technologie, en de dubbele vierkwadrant fotodetector werd gemaakt. De fysieke afbeelding van de fotodetector en de testresultaten worden getoond in Fig. 11, Tabellen 3 en 4, en de resultaten van responsiviteit worden gemeten door laag van 2 mW. De resultaten tonen aan dat de gemiddelde eenheidsresponsiviteit 0,528 A/W is bij 1060 nm en 0,102 A/W bij 1180 nm bij een omgekeerde bias van 50 V, het responsbereik varieert van 400 tot 1200 nm, die in wezen hetzelfde zijn als het simulatieresultaat. De gemiddelde spectrale absorptiesnelheid is boven 90%, en de gemiddelde donkere stroom is minder dan 8 nA, de donkere stroom wordt gemeten door een zwarte doos aan de detector toe te voegen om de stroom onder de omgekeerde bias te meten, en de resultaten van donkere stroom zijn een beetje groter dan de simulatieresultaten, omdat de diepte-uniformiteit van de overgang in het gevoelige gebied niet ideaal is in de daadwerkelijke verwerking. Tegelijkertijd wordt de responstijd gemeten door de verandering van fotostroom te lezen via een oscilloscoop bij gebruik van een laserpuls signaal dat op de detector werkt, en de gemiddelde opstijgtijd is minder dan 12 ns, wat voldoet aan de verwachte simulatieresultaten. Daarom bereikt de fotodetector geproduceerd in dit artikel niet alleen vierkwadrant nauwkeurige positionering, maar garandeert ook wijd detectieband, lage donkere stroom en snelle respons.

Conclusies

In dit artikel wordt een nieuw bereidingsproces van zwart silicium voorgesteld, waarmee hoog lichtgevang Se-gedopeerd zwart silicium materiaal wordt bereid door femtoseconde laserablatie van hoogweerstandig silicium gecoateerd met Se-film in HF-gasatmosfeer. De resultaten tonen aan dat de gemiddelde absorptie van 400-2200 nm band voor aannealing 96,81% is, en de absorptie blijft 81,28% na aannealing bij 600 graden. Tegelijkertijd wordt zwart silicium bereid onder de nieuwe technologie gebruikt in dubbele vierkwadrant fotodetector, de resultaten tonen aan dat de gemiddelde eenheidsresponsiviteit 0,528 A/W is bij 1060 nm en 0,102 A/W bij 1180 nm bij een bias van 50 V, en de gemiddelde donkere stroom is 2 nA bij de binnenste kwadranten en 8 nA bij de buitenste kwadranten. De dubbele vierkwadrant fotodetector gebaseerd op nabij-infrarood versterkt zwart silicium heeft de voordelen van hoge responsiviteit, lage donkere stroom, snelle respons en lage crosstalk, waardoor het geschikt is voor een reeks toepassingen, zoals nachtvisiedetectie en medische toepassingen.