Um fotodetector duplo de quatro quadrantes baseado em silício preto nanômetro aprimorado próximo ao infravermelho

Resumo

Neste artigo, um novo processo de preparação de silício negro nanométrico é proposto, pelo qual material de silício negro dopado com Se-dopado de alto aprisionamento óptico é preparado por ablação a laser pulsado em nanosegundos de silício de alta resistência revestido com filme de Se em atmosfera de gás HF. Os resultados indicam que a absortividade média da banda de 400–2200 nm antes do recozimento é de 96,81%, e a absortividade se mantém em 81,28% após o recozimento a 600 graus. Enquanto isso, o silício preto preparado sob a nova tecnologia é usado em fotodetector duplo de quatro quadrantes, os resultados mostram que, em uma polarização reversa de 50 V, a responsividade média da unidade é 0,528 A / W em 1060 nm e 0,102 A / W em 1180 nm, e a corrente escura média é 2 nA nos quadrantes internos e 8 nA nos quadrantes externos. O fotodetector duplo de quatro quadrantes baseado em silício preto aprimorado de infravermelho próximo tem as vantagens de alta responsividade, baixa corrente escura, resposta rápida e baixa diafonia, portanto, é apropriado para uma série de aplicações de direção, como detecção de visão noturna e médica campo.

Introdução

Fotodetector aprimorado de infravermelho próximo [1,2,3] é difícil de obter um desempenho satisfatório em comparação com fotodetectores em outros comprimentos de onda [4,5,6] porque é limitado pela faixa de resposta, taxa de resposta, corrente escura e diafonia no próximo banda infravermelha. No entanto, desde que Carey desenvolveu o primeiro detector infravermelho de silício preto em 2005, o fotodetector de infravermelho próximo baseado em materiais de silício preto começou a se desenvolver rapidamente. O desempenho do silício preto desenvolvido por Carey excede em muito o desempenho do detector infravermelho de silício monocristalino. Em pouco tempo, alguns pesquisadores adicionaram tecnologia de passivação ao detector de silício preto para reduzir sua corrente escura. O silício preto [7,8,9] tornou-se o material preferido para fotodetector aprimorado de infravermelho próximo à base de silício devido à sua alta taxa de absorção e amplo espectro de absorção.

Como um dos materiais mais importantes na indústria de semicondutores, é crucial gerenciar bem a qualidade de processamento dos materiais de silício preto [10,11,12,13,14]. A preparação de silício preto com amplo espectro, alta absorção e baixo defeito é essencial para o fotodetector de infravermelho próximo de alto desempenho. Existem algumas pesquisas sobre a preparação de materiais de silício preto usando laser de femtossegundo [15, 16] escaneando em atmosfera SF6 [17, 18], e o material de silício preto na faixa ultravioleta a infravermelho próximo pode atingir mais de 90% de absorção [ 19]. No entanto, a absorção na região do infravermelho próximo é reduzida para cerca de 50% após o recozimento de alta temperatura. Enquanto isso, os pesquisadores descobriram que a absorção de silício preto dopado com Se e Te é significativamente reduzida por recozimento em comparação com o silício preto dopado com S, mas sob o processo de dopagem da membrana sólida de Se e Te, o material de silício preto é preparado na forma de colina, e a captura de luz não é boa o suficiente [20, 21].

Neste artigo, um novo processo de preparação de silício negro nanométrico é proposto, pelo qual material de silício negro dopado com Se-dopado de alto aprisionamento óptico é preparado por ablação a laser pulsado em nanosegundos de silício de alta resistência revestido com filme de Se em atmosfera de gás HF. Os resultados indicam que a absortividade média da banda de 400–2200 nm antes do recozimento é de 96,81%, e a absortividade se mantém em 81,28% após o recozimento a 600 graus. Enquanto isso, o silício preto preparado sob a nova tecnologia é usado em fotodetector duplo de quatro quadrantes, os resultados mostram que a capacidade de resposta média da unidade é 0,528 A / W a 1060 nm e 0,102 A / W a 1180 nm a uma polarização de 50 V, e a corrente escura média é 2 nA nos quadrantes internos e 8 nA nos quadrantes externos. O fotodetector duplo de quatro quadrantes baseado em silício preto aprimorado de infravermelho próximo tem as vantagens de alta responsividade, baixa corrente escura, resposta rápida e baixa diafonia, portanto, é apropriado para uma série de aplicações de direção, como detecção de visão noturna e médica campo.

Método

O fotodetector foi fabricado e testado pelos seguintes processos. Primeiro, o material de silício preto foi preparado, o wafer de silício de alta resistência do tipo N foi cortado em uma amostra de 5 cm x 5 cm e a amostra foi limpa com o procedimento de limpeza padrão e seca em atmosfera de nitrogênio. Em seguida, pó de Se com pureza de 99,99% foi usado como fonte de evaporação, e um filme de Se foi depositado na superfície da amostra de Si por uma máquina de revestimento a vácuo. O gás HF foi introduzido no processo de corrosão a laser de femtossegundo, e os parâmetros de processamento são os seguintes:velocidade de varredura:1 mm / s; densidade de potência do laser:4,5 kJ / m ² ; Pressão do gás HF:9 × 10 ⁴ Pa. O laser de femtossegundo usado neste artigo é o amplificador de laser de femtossegundo Ti:safira produzido pela Spectra-Physics Corporation. Em segundo lugar, o fotodetector duplo de quatro quadrantes foi preparado usando material de silício preto, a estrutura esquemática do fotodetector duplo de quatro quadrantes e os processos de fabricação específicos são mostrados nas Figs. 1 e 2. Por último, as morfologias do silício preto foram caracterizadas por um microscópio eletrônico de varredura por emissão de campo (MEV), e as características espectrais do material foram testadas por espectrômetro de fibra óptica NIR2500 e esfera integradora. Enquanto isso, a corrente de resposta, a característica da corrente escura e o tempo de aumento do fotodetector foram testados. Durante o teste, a fonte de luz é um laser da banda Amonics, a corrente escura é medida adicionando uma caixa preta ao detector para medir a corrente sob a polarização reversa e o tempo de resposta é medido pela leitura da mudança da fotocorrente através um osciloscópio ao usar um sinal de pulso de laser atuando no detector.

A estrutura esquemática do fotodetector duplo de quatro quadrantes

O processo de fabricação específico do fotodetector

Resultados e discussão

Neste artigo, o material de silício preto dopado com Se-dopado com alto aprisionamento é preparado por ablação a laser pulsado de nanossegundos de silício de alta resistência revestido com filme de Se em atmosfera de gás HF. Por outro lado, o efeito do recozimento no silício preto é reduzido porque o revestimento de Se é supersaturado em vez de usar o silício dopado com S tradicional. A taxa de difusão dos átomos de S para fora da rede de Si é mais rápida do que o Se; portanto, o efeito de recozimento é pobre. Por outro lado, HF é decomposto em H + e F− em alta temperatura, e o íon F interage com material de silício ablacionado por laser de femtossegundo em alta temperatura para produzir SiF4 volátil; desta forma, a superfície do material é continuamente gravada, formando uma estrutura piramidal em nanoescala, a pirâmide em nanoescala produzida por gravação a laser reduz efetivamente a refletividade do silício preto. Enquanto isso, a passivação da superfície otimiza a vida útil dos portadores minoritários e reduz a densidade do defeito do material de silício preto e a recombinação desnecessária do portador. A gravação a laser de femtosegundo é simples e reproduzível, por meio da qual a uniformidade da matriz de silício preto é boa, enquanto a largura do espaçamento entre bandas de silício preto pode ser bastante reduzida. Ao estudar mais a influência da atmosfera do gás, a potência do laser e a velocidade de varredura do laser nas propriedades do material de silício preto, o fluxo de processo otimizado pode ser obtido. O silício preto apresenta uma melhora significativa na absorção após o recozimento preparado pelo novo processo.

O fotodetector duplo de quatro quadrantes é fabricado com material de silício preto de acordo com o novo processo; a estrutura esquemática proposta neste trabalho é ilustrada na Fig. 1. O fotodetector proposto é composto por camada fotossensível, sulco de isolamento e camada preta de silício. O diâmetro externo da superfície fotossensível é de 8 mm, enquanto o diâmetro interno é de 2 mm, e as áreas fotossensíveis são separadas umas das outras por fendas de isolamento. O fotodetector proposto pode determinar o tamanho do deslocamento e a orientação do alvo em relação ao eixo óptico de acordo com diferentes resultados de detecção de quadrante, conseguindo assim um posicionamento preciso.

A corrente de resposta, característica de corrente escura, tempo de subida e característica de diafonia do fotodetector são simulados pelo software comercial COMSOL Multiphysics 5.4a para projetar a estrutura ideal. A corrente de resposta, característica de corrente escura, tempo de subida do fotodetector podem ser obtidos pelas Eqs. 1-3. Pode-se ver que a corrente de resposta, a corrente escura e o tempo de resposta estão intimamente relacionados com a espessura da camada I e a tensão de polarização quando a área, a potência incidente e o parâmetro do material são determinados; portanto, esses parâmetros são principalmente simulados.
$$ {\ text {I}} _ {{\ text {p}}} =\ frac {{qP \ left ({1 - R} \ right)}} {hv} \ cdot \ left ({1 - \ frac {{e ^ {- \ alpha W}}} {{1 + \ alpha \ sqrt {D \ tau}}}} \ right) + qP \ frac {D} {{\ sqrt {D \ tau}}} $$ (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)
Em que P representa a potência incidente, R é a refletância, α é o coeficiente de absorção, W representa a espessura da camada I, D é o coeficiente de difusão do orifício e τ é a vida do portador. Tensão de polarização E \ (\ propto \), t _RC significa constante de tempo do circuito, que é principalmente determinada pela resistência e capacitância equivalentes. t _d é o tempo de difusão, e τ _d é o tempo de trânsito.

As influências da tensão de polarização reversa nos parâmetros acima são ilustradas na Fig. 3, pode-se ver que com os aumentos na tensão de polarização, a corrente de resposta e a corrente escura também serão aumentadas; no entanto, o tempo de subida será reduzido. Portanto, é necessário equilibrar a contradição entre a corrente de resposta, o tempo crescente e a corrente escura à medida que a polarização aumenta e escolher a polarização apropriada de acordo com a demanda. Da mesma forma, a espessura da camada I da estrutura do PIN, que grandemente determina a espessura do fotodetector, também é simulada e os resultados são mostrados na Fig. 4. Enquanto isso, a Fig. 5 dá a influência da largura da fenda de isolamento no fotodetector , pode ser visto que quando a largura da fenda de isolamento é aumentada para 100 μm, a taxa de diafonia é basicamente estável. De acordo com os resultados da simulação, a corrente de resposta ideal, a corrente escura e o tempo de subida são obtidos, os parâmetros específicos do dispositivo são mostrados na Tabela 1.

A corrente de resposta, a característica da corrente escura e a curva de mudança de tempo crescente do fotodetector em diferentes tensões de polarização reversa

A corrente de resposta, a característica da corrente escura e a curva de mudança de tempo crescente do fotodetector em diferentes espessuras da camada I

A influência da largura da fenda de isolamento na taxa de diafonia

A fim de alcançar alta resposta, velocidade de resposta rápida e alta estabilidade do fotodetector, alguns processos de fabricação também foram otimizados [22,23,24]. Primeiro, a ranhura de isolamento e o anel de bloqueio são projetados para reduzir a diafonia entre as áreas fotossensíveis adjacentes. Em segundo lugar, os processos de afinamento e polimento de wafer são usados para reduzir a espessura da camada de depleção para melhorar a velocidade de resposta do dispositivo. Terceiro, a preparação de silício preto por ablação a laser de femtossegundo em uma etapa é crucial para alcançar boa repetibilidade e estabilidade de materiais de silício preto. Por último, o tratamento de passivação de subsuperfície da camada preta de silício é usado para reduzir e regular a densidade do estado de defeito da superfície e reduzir o peso morto dos portadores fotogênicos para atingir alta responsividade do fotodetector. O processo de fabricação específico do fotodetector é mostrado na Fig. 2. O diagrama final do dispositivo é mostrado na Fig. 2j, em que a espessura da camada I é 180 μm e a espessura da camada PN é 10 μm, P ⁺ é formado por dopagem pesada de B em silício tipo P, N ⁺ é formado por difusão de P, e o eletrodo de contato foi depositado por evaporação térmica.

A Figura 6 mostra as alterações da morfologia da superfície e propriedades fotoelétricas de silício preto dopado com Se-sensível à luz de alto entalhe após recozimento de alta temperatura, os parâmetros de usinagem específicos são os seguintes:velocidade de varredura:1 mm / s; densidade de potência do laser:4,5 kJ / m ² ; Pressão do gás HF:9 × 10 ⁴ Pa. Pode ser visto na figura que a morfologia da superfície antes e depois do recozimento de alta temperatura é mais uniformemente distribuída na matriz de silício preto cônico em nanoescala sem mudança óbvia. Em termos de espectro de absorção, a taxa de absorção média após o recozimento do silício preto feito sob o novo processo neste trabalho atingiu 83,12%, a resistência ao fogo melhorou significativamente em comparação com a taxa de absorção de cerca de 50% após o recozimento do silício preto dopado com S . Além disso, o efeito da velocidade de varredura de pulso de laser de femtossegundo sobre o desempenho do material de silício preto foi testado, e os resultados são ilustrados na Fig. 7. Pode-se ver que com a diminuição da velocidade, a quantidade de dopagem do elemento Se aumenta continuamente, o que leva à forma mais óbvia de cone de ponta de silicone preto e maior taxa de absorção.

As mudanças da morfologia da superfície e propriedades fotoelétricas do material após o recozimento de alta temperatura

A morfologia da superfície e os espectros de absorção dos materiais em diferentes velocidades de varredura a 10 mm / s, b 5 mm / s, c 2 mm / s, d 1 mm / s

De acordo com a teoria de mapeamento de Tauc, o bandgap do material pode ser obtido pela transformação de seu espectro de absorção [25]:
$$ {\ text {F}} \ left ({{\ text {R}} \ infty} \ right) \ approx \ frac {{{\ text {A}} ^ {{2}}}} {{{ \ text {2R}}}} $$ (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) $$ \ left ({{\ text {h}} \ nu {\ text { F}} \ left ({{\ text {R}} \ infty} \ right)} \ right) ^ {{\ frac {{1}} {{2}}}} ={\ text {K}} \ esquerda ({{\ text {h}} \ nu - {\ text {Ex.}}} \ direita) $$ (7)
Em que A significa absorção espectral, R é refletância. O ponto de inflexão (o ponto máximo da primeira derivada) é obtido calculando a primeira derivada do hv- (hvF (R∞)) ^1/2 curva, e a tangente da curva é feita neste ponto. O valor de abscissa da interseção da tangente e o eixo X são o bandgap da amostra. Os resultados de largura de bandgap equivalente de materiais de silício preto em diferentes velocidades de varredura são mostrados na Tabela 2, com a diminuição na velocidade de varredura e o aumento na concentração de dopagem de Se, a largura de bandgap está diminuindo em comparação com 1,12 eV de materiais de silício tradicionais, e a banda espectral está aumentando.

A junção PIN do fotodetector duplo de quatro quadrantes é simulada em diferentes bandgap de materiais. Os resultados da simulação são ilustrados na Fig. 8; os resultados mostram que com a diminuição da largura do bandgap, o pico de absorção da fotocorrente é desviado para a banda do infravermelho próximo. Portanto, considerando os resultados da simulação, o desempenho óptico e elétrico do fotodetector, a velocidade de digitalização ideal pode ser selecionada.

Responsividade do silício preto por diferentes bandgap

O mesmo processo de simulação é usado para determinar os parâmetros ideais de preparação de material em diferentes condições experimentais, como densidade de potência óptica e pressão de ar de alta frequência, que são mostradas nas Figs. 9 e 10.

A morfologia da superfície e os espectros de absorção dos materiais em diferentes pressões de ar de HF a 1 × 10 ⁴ Pa, b 3,5 × 10 ⁴ Pa, c 6 × 10 ⁴ Pa, d 8,5 × 10 ⁴ Pa

A morfologia da superfície e os espectros de absorção dos materiais em diferentes densidades de potência óptica a 2,5 kJ / m ² , b 4,5 kJ / m ² , c 6,0 kJ / m ² , d 9,0 kJ / m ²

Os parâmetros de usinagem específicos são os seguintes:velocidade de varredura:1 mm / s; densidade de potência do laser:4,5 kJ / m ² ; Pressão do gás HF:9 × 10 ⁴ Pa, sob os parâmetros experimentais acima, o material de silício preto foi preparado pela nova tecnologia, e o fotodetector duplo de quatro quadrantes foi feito. A imagem física do fotodetector e os resultados dos testes são apresentados na Fig. 11, Tabelas 3 e 4, e os resultados da responsividade são medidos por camada de 2 mW. Os resultados mostram que a capacidade de resposta média da unidade é de 0,528 A / W em 1060 nm e 0,102 A / W em 1180 nm em uma polarização reversa de 50 V, a banda de resposta varia de 400 a 1200 nm, que são basicamente as mesmas da simulação resultado. A taxa de absorção espectral média é superior a 90% e a corrente escura média é inferior a 8 nA, a corrente escura é medida adicionando uma caixa preta ao detector para medir a corrente sob a polarização reversa, e os resultados da corrente escura são um pouco maior que os resultados da simulação, pois a uniformidade da profundidade da junção na região fotossensível não é ideal no processamento real. Enquanto isso, o tempo de resposta é medido pela leitura da mudança de fotocorrente através de um osciloscópio ao usar um sinal de pulso de laser atuando no detector, e o tempo médio de subida é inferior a 12 ns, o que está de acordo com os resultados esperados da simulação. Portanto, o fotodetector fabricado neste trabalho não só atinge o posicionamento preciso de quatro quadrantes, mas também garante uma banda de detecção ampla, baixa corrente escura e resposta rápida.

a A imagem física do fotodetector duplo de quatro quadrantes. b A responsividade de diferentes amostras fotodetectoras duplas de quatro quadrantes

Conclusões

Neste artigo, um novo processo de preparação de silício preto é proposto, pelo qual material de silício preto dopado com Se-dopado com alto aprisionamento óptico é preparado por ablação a laser de femtossegundo de silício de alta resistência revestido com filme de Se em atmosfera de gás HF. Os resultados indicam que a absortividade média da banda de 400–2200 nm antes do recozimento é de 96,81%, e a absortividade se mantém em 81,28% após o recozimento a 600 graus. Enquanto isso, o silício preto preparado sob a nova tecnologia é usado em fotodetector duplo de quatro quadrantes, os resultados mostram que a capacidade de resposta média da unidade é 0,528 A / W a 1060 nm e 0,102 A / W a 1180 nm a uma polarização de 50 V, e a corrente escura média é 2 nA nos quadrantes internos e 8 nA nos quadrantes externos. O fotodetector duplo de quatro quadrantes baseado em silício preto aprimorado de infravermelho próximo tem as vantagens de alta responsividade, baixa corrente escura, resposta rápida e baixa diafonia, portanto, é apropriado para uma série de aplicações de direção, como detecção de visão noturna e médica campo.

Disponibilidade de dados e materiais

Os conjuntos de dados usados ou analisados durante o estudo atual estão disponíveis junto ao autor correspondente, mediante solicitação razoável.

Abreviações

SEM:: Microscopia eletrônica de varredura
NIR:: Próximo ao infravermelho

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Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

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