Fotodetector de Infravermelho Próximo de Alta Eficiência e Duplo Quadrante Usando Silício Negro em Nanoescala

Resumo

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

Introdução

Fotodetector de infravermelho próximo aprimorado é difícil de obter desempenho satisfatório comparado com fotodetectores em outros comprimentos de onda porque é limitado por faixa de resposta, taxa de resposta, corrente escura e crosstalk na banda de infravermelho próximo. No entanto, desde que Carey desenvolveu o primeiro detector de infravermelho de silício negro em 2005, o fotodetector de infravermelho próximo baseado em materiais de silício negro começou a se desenvolver rapidamente. O desempenho de silício negro desenvolvido por Carey excede em muito o desempenho de detector de infravermelho de silício monocristalino. Pouco tempo depois, alguns pesquisadores adicionaram tecnologia de passivação a detector de silício negro para reduzir sua corrente escura. Silício negro tornou-se o material preferido para fotodetector de infravermelho próximo aprimorado baseado em 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 de materiais de silício negro. A preparação de silício negro com amplo espectro, alta absorção e baixo defeito é essencial para fotodetector de infravermelho próximo de alto desempenho. Existem algumas pesquisas sobre preparação de materiais de silício negro usando laser de femtossegundo em atmosfera de SF6, e o material de silício negro na banda ultravioleta a infravermelho próximo pode alcançar mais de 90% de absorção. No entanto, a absorção na região de infravermelho próximo é reduzida para cerca de 50% após recozimento de alta temperatura. Enquanto isso, pesquisadores descobriram que a absorção de silício negro dopado com Se e Te é significativamente reduzida pelo recozimento comparado com silício negro dopado com S, mas sob o processo de dopagem de membrana sólida de Se e Te, o material de silício negro é preparado na forma de colina, e a captação de luz não é boa o suficiente.

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

Método

O fotodetector foi fabricado e testado pelos seguintes processos. Primeiro, o material de silício negro foi preparado, wafer de silício tipo N de alta resistência foi cortado em amostra de 5 cm × 5 cm, e a amostra foi limpa com procedimento de limpeza padrão e seca com nitrogênio. Então, pó de Se com pureza 99,99% foi usado como fonte de evaporação, e um filme de Se foi depositado na superfície da amostra de Si por máquina de revestimento a vácuo. Gás HF foi introduzido no processo de gravação 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/m²; pressão do gás HF: 9 × 10⁴ Pa. O laser de femtossegundo usado neste artigo é o amplificador de laser de femtossegundo Ti:safira produzido pela Spectra-Physics Corporation. Segundo, fotodetector de duplo quadrante foi preparado usando material de silício negro, a estrutura esquemática do fotodetector de duplo quadrante e os processos de fabricação específicos são mostrados nas Figs. 1 e 2. Por último, as morfologias de silício negro foram caracterizadas por microscópio eletrônico de varredura de 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, característica de corrente escura, tempo de subida 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 polarização reversa, e o tempo de resposta é medido lendo a mudança de fotocorrente através de um osciloscópio quando usando um sinal de pulso laser atuando no detector.

Resultados e Discussão

Neste artigo, material de silício negro dopado com Se de alta captação óptica é preparado por ablação a laser de nanossegundos de silício de alta resistência revestido com filme de Se em atmosfera de gás HF. Por um lado, o efeito do recozimento no silício negro é reduzido porque o revestimento de Se é supersaturado em vez de usar o silício dopado com S tradicional. A taxa de difusão de átomos de S fora da rede de Si é mais rápida que Se; portanto, o efeito de recozimento é pobre. Por outro lado, HF é decomposto em H⁺ e F⁻ em alta temperatura, e íon F interage com material de silício ablatado por laser de femtossegundo em alta temperatura para produzir SiF₄ volátil; desta forma, a superfície do material é continuamente gravada, formando uma estrutura de pirâmide em nanoescala, a pirâmide em nanoescala produzida por gravação a laser efetivamente reduz a refletividade do silício negro. Enquanto isso, passivação superficial otimiza o tempo de vida dos portadores minoritários, e reduz a densidade de defeitos do material de silício negro e recombinação desnecessária de portadores fotogerados. Gravação a laser de femtossegundo é simples e reproduzível, pela qual a uniformidade do arranjo de silício negro é boa, enquanto a largura da banda de silício negro pode ser grandemente reduzida. Estudando mais a influência de atmosfera de gás, potência do laser e velocidade de varredura do laser nas propriedades do material de silício negro, o fluxo de processo otimizado pode ser obtido. O silício negro tem uma melhoria significativa na absorção após recozimento preparado pelo novo processo.

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

A corrente de resposta, característica de corrente escura, tempo de subida e característica de crosstalk do fotodetector são simuladas por software comercial COMSOL Multiphysics 5.4a para projetar a estrutura ótima. A corrente de resposta, característica de corrente escura, tempo de resposta do fotodetector podem ser obtidas pelas Eqs. 1–3. Pode-se ver que a corrente de resposta, corrente escura e tempo de resposta estão intimamente relacionados à espessura da camada I e tensão de polarização quando a área, potência incidente e parâmetro de material são determinados; portanto, estes parâmetros são principalmente simulados.

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

Para alcançar alta resposta, velocidade de resposta rápida e alta estabilidade do fotodetector, alguns processos de fabricação também foram otimizados. Primeiro, a ranhura de isolamento e anel de bloqueio são projetados para reduzir o crosstalk entre áreas fotossensíveis adjacentes. Segundo, processos de afinamento e polimento de wafer são usados para reduzir espessura de camada de depleção para melhorar velocidade de resposta do dispositivo. Terceiro, a preparação de silício negro por ablação a laser de femtossegundo em uma etapa é crucial para alcançar boa repetibilidade e estabilidade de materiais de silício negro. Por último, o tratamento de passivação subsuperficial da camada de silício negro é usado para reduzir e regular a densidade de estado de defeito superficial e reduzir a recombinação de portadores fotogerados para alcançar 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, no qual a espessura da camada I é 180 µm e a espessura da camada P N 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 mudanças na morfologia de superfície e propriedades fotoelétricas de silício negro dopado com Se de alta sensibilidade à luz após recozimento de alta temperatura, os parâmetros de usinagem específicos são: velocidade de varredura: 1 mm/s; densidade de potência do laser: 4,5 kJ/m²; pressão do gás HF: 9 × 10⁴ Pa. Pode-se ver na figura que a morfologia de superfície antes e depois do recozimento de alta temperatura é mais uniformemente distribuída no arranjo de silício negro cônico em nanoescala sem mudança óbvia. Em termos de espectro de absorção, a taxa média de absorção após recozimento de silício negro feito sob o novo processo neste artigo atingiu 83,12%, a resistência ao fogo melhorou significativamente comparado com a taxa de absorção de cerca de 50% após recozimento de silício negro dopado com S. Além disso, o efeito da velocidade de varredura de pulso de laser de femtossegundo no desempenho do material de silício negro foi testado, e os resultados são ilustrados na Fig. 7. Pode-se ver que com a diminuição da velocidade, a quantidade de dopagem de elemento Se aumenta continuamente, o que leva à forma mais óbvia de cone de ponta de silício negro e maior taxa de absorção.

De acordo com a teoria de mapeamento de Tauc, a banda proibida do material pode ser obtida pela transformação de seu espectro de absorção. Os resultados de largura de banda proibida equivalente de materiais de silício negro em diferentes velocidades de varredura são mostrados na Tabela 2, com a diminuição da velocidade de varredura e aumento da concentração de dopagem de Se, a largura da banda proibida está diminuindo comparada com 1,12 eV de materiais de silício tradicionais, e a banda espectral está aumentando.

A junção PIN do fotodetector de duplo quadrante é simulada em diferentes bandas proibidas de materiais. Os resultados de simulação são ilustrados na Fig. 8; os resultados mostram que com a diminuição da largura da banda proibida, o pico de absorção de fotocorrente é deslocado para a banda de infravermelho próximo. Portanto, considerando os resultados de simulação, o desempenho óptico e elétrico do fotodetector, a velocidade de varredura ótima pode ser selecionada.

O mesmo processo de simulação é usado para determinar os parâmetros ótimos de preparação de material sob diferentes condições experimentais, como densidade de potência óptica e pressão de ar HF, que são mostrados nas Figs. 9 e 10.

Os parâmetros de usinagem específicos são: velocidade de varredura: 1 mm/s; densidade de potência do laser: 4,5 kJ/m²; pressão do gás HF: 9 × 10⁴ Pa, sob os parâmetros experimentais acima, o material de silício negro foi preparado pela nova tecnologia, e o fotodetector de duplo quadrante foi feito. A imagem física do fotodetector e os resultados de teste são mostrados na Fig. 11, Tabelas 3 e 4, e os resultados de responsividade são medidos por camada de 2 mW. Os resultados mostram que a responsividade unitária média é 0,528 A/W a 1060 nm e 0,102 A/W a 1180 nm em polarização reversa de 50 V, a banda de resposta varia de 400 a 1200 nm, que são basicamente os mesmos que o resultado de simulação. A taxa média de absorção espectral é superior a 90%, e a corrente escura média é menor que 8 nA, a corrente escura é medida adicionando uma caixa preta ao detector para medir a corrente sob polarização reversa, e os resultados de corrente escura são um pouco maiores que os resultados de simulação, porque a uniformidade de profundidade da junção na região fotossensível não é ideal no processamento real. Enquanto isso, o tempo de resposta é medido lendo a mudança de fotocorrente através de um osciloscópio quando usando um sinal de pulso laser atuando no detector, e o tempo médio de subida é menor que 12 ns, o que confirma os resultados de simulação esperados. Portanto, o fotodetector fabricado neste artigo não apenas alcança posicionamento preciso de quatro quadrantes, mas também garante ampla banda de detecção, baixa corrente escura e resposta rápida.

Conclusões

Neste artigo, um novo processo de preparação de silício negro é proposto, pelo qual material de silício negro dopado com Se de alta captação óptica 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 400–2200 nm antes do recozimento é 96,81%, e a absortividade mantém-se em 81,28% após recozimento a 600 graus. Enquanto isso, silício negro preparado sob a nova tecnologia é usado em fotodetector de duplo quadrante, os resultados mostram que a responsividade unitária média é 0,528 A/W a 1060 nm e 0,102 A/W a 1180 nm em polarização de 50 V, e a corrente escura média é 2 nA nos quadrantes internos e 8 nA nos quadrantes externos. O fotodetector de duplo quadrante baseado em silício negro com infravermelho próximo aprimorado tem as vantagens de alta responsividade, baixa corrente escura, resposta rápida e baixo crosstalk, sendo portanto apropriado para uma série de aplicações, como detecção de visão noturna e campo médico.

Disponibilidade de Dados e Materiais

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

Abreviações

MEV:

Microscopia eletrônica de varredura

IVP:

Infravermelho próximo