Un photodétecteur double à quatre quadrants basé sur du silicium noir nanométrique amélioré dans le proche infrarouge

Introduction

Le photodétecteur amélioré proche infrarouge [1,2,3] est difficile à obtenir des performances satisfaisantes par rapport aux photodétecteurs à d'autres longueurs d'onde [4,5,6] car il est limité par la plage de réponse, le taux de réponse, le courant d'obscurité et la diaphonie dans le proche-infrarouge. bande infrarouge. Cependant, depuis que Carey a développé le premier détecteur infrarouge en silicium noir en 2005, le photodétecteur proche infrarouge basé sur des matériaux en silicium noir a commencé à se développer rapidement. Les performances du silicium noir développé par Carey dépassent de loin les performances du détecteur infrarouge au silicium monocristallin. En peu de temps, certains chercheurs ont ajouté la technologie de passivation au détecteur de silicium noir pour réduire son courant d'obscurité. Le silicium noir [7,8,9] est devenu le matériau de prédilection pour les photodétecteurs améliorés dans le proche infrarouge à base de silicium en raison de son taux d'absorption élevé et de son large spectre d'absorption.

En tant que l'un des matériaux les plus importants dans l'industrie des semi-conducteurs, il est crucial de bien gérer la qualité de traitement des matériaux en silicium noir [10,11,12,13,14]. La préparation de silicium noir à large spectre, à absorption élevée et à faible défaut est essentielle pour un photodétecteur proche infrarouge à hautes performances. Il y a quelques recherches sur la préparation de matériaux de silicium noir en utilisant un balayage laser femtoseconde [15, 16] dans une atmosphère SF6 [17, 18], et le matériau de silicium noir dans la bande ultraviolette à proche infrarouge peut atteindre plus de 90 % d'absorption [ 19]. Cependant, l'absorption dans le proche infrarouge est réduite à environ 50 % après un recuit à haute température. Pendant ce temps, les chercheurs ont découvert que l'absorption du silicium noir dopé Se et Te est considérablement réduite par recuit par rapport au silicium noir dopé S, mais sous le processus de dopage de la membrane solide Se et Te, le matériau de silicium noir est préparé sous la forme de la colline, et le piégeage de la lumière n'est pas assez bon [20, 21].

Dans cet article, un nouveau processus de préparation de silicium noir nanométrique est proposé, par lequel un matériau de silicium noir optique dopé au Se à piégeage élevé est préparé par ablation laser pulsée à la nanoseconde de silicium à haute résistance recouvert d'un film de Se dans une atmosphère de gaz HF. Les résultats indiquent que l'absorptivité moyenne de la bande 400-2200 nm avant recuit est de 96,81%, et l'absorptivité se maintient à 81,28% après recuit à 600 degrés. Pendant ce temps, du silicium noir préparé selon la nouvelle technologie est utilisé dans un photodétecteur double à quatre quadrants, les résultats montrent que la réactivité moyenne de l'unité est de 0,528 A/W à 1060 nm et de 0,102 A/W à 1180 nm avec une polarisation de 50 V, et le courant d'obscurité moyen est de 2 nA dans les quadrants internes et de 8 nA dans les quadrants externes. Le double photodétecteur à quatre quadrants basé sur du silicium noir amélioré dans le proche infrarouge présente les avantages d'une réactivité élevée, d'un faible courant d'obscurité, d'une réponse rapide et d'une faible diaphonie, il est donc approprié pour une série d'applications, telles que la détection de vision nocturne et la médecine champ.

Méthode

Le photodétecteur a été fabriqué et testé par les procédés suivants. Tout d'abord, le matériau de silicium noir a été préparé, une plaquette de silicium à haute résistance de type N a été découpée en un échantillon de 5 cm × 5 cm, et l'échantillon a été nettoyé avec une procédure de nettoyage standard et séché par soufflage dans une atmosphère d'azote. Ensuite, une poudre de Se d'une pureté de 99,99 % a été utilisée comme source d'évaporation et un film de Se a été déposé sur la surface de l'échantillon de Si par une machine de revêtement sous vide. Le gaz HF a été introduit dans le processus de gravure laser femtoseconde et les paramètres de traitement sont les suivants :vitesse de balayage :1 mm/s ; densité de puissance laser :4,5 kJ/m ² ; Pression de gaz HF :9 × 10 ⁴ Pa. Le laser femtoseconde utilisé dans cet article est l'amplificateur laser femtoseconde Ti:saphir produit par Spectra-Physics Corporation. Deuxièmement, un photodétecteur double à quatre quadrants a été préparé en utilisant un matériau en silicium noir, la structure schématique du photodétecteur double à quatre quadrants et les procédés de fabrication spécifiques sont illustrés sur les Fig. 1 et 2. Enfin, les morphologies du silicium noir ont été caractérisées par un microscope électronique à balayage (MEB) à émission de champ et les caractéristiques spectrales du matériau ont été testées par le spectromètre à fibre optique NIR2500 et la sphère d'intégration. Pendant ce temps, le courant de réponse, la caractéristique de courant d'obscurité, le temps de montée du photodétecteur ont été testés. Pendant le test, la source lumineuse est un laser de la bande Amonics, le courant d'obscurité est mesuré en ajoutant une boîte noire au détecteur pour mesurer le courant sous polarisation inversée, et le temps de réponse est mesuré en lisant le changement de photocourant à travers un oscilloscope lors de l'utilisation d'un signal d'impulsion laser agissant sur le détecteur.

La structure schématique du double photodétecteur à quatre quadrants

Le procédé de fabrication spécifique du photodétecteur

Résultats et discussion

Dans cet article, un matériau de silicium noir dopé au Se optique à piégeage élevé est préparé par ablation laser pulsée à la nanoseconde de silicium à haute résistance recouvert d'un film de Se dans une atmosphère de gaz HF. D'une part, l'effet du recuit sur le silicium noir est réduit car le revêtement Se est sursaturé au lieu d'utiliser le silicium dopé S traditionnel. Le taux de diffusion des atomes S hors du réseau Si est plus rapide que Se; par conséquent, l'effet de recuit est médiocre. D'autre part, HF est décomposé en H+ et F- à haute température, et l'ion F interagit avec le matériau silicium ablaté par laser femtoseconde à haute température pour produire du SiF4 volatil; de cette façon, la surface du matériau est gravée en continu, formant une structure pyramidale nanométrique, la pyramide nanométrique produite par gravure laser réduit efficacement la réflectivité du silicium noir. Pendant ce temps, la passivation de surface optimise la durée de vie des porteurs minoritaires et réduit la densité de défauts du silicium noir et la recombinaison inutile des porteurs. La gravure laser femtoseconde est simple et reproductible, grâce à laquelle l'uniformité du réseau de silicium noir est bonne, tandis que la largeur de bande interdite du silicium noir peut être considérablement réduite. En étudiant davantage l'influence de l'atmosphère gazeuse, de la puissance laser et de la vitesse de balayage laser sur les propriétés du matériau de silicium noir, le flux de processus optimisé peut être obtenu. Le silicium noir présente une amélioration significative de l'absorption après recuit préparé par le nouveau procédé.

Le double photodétecteur à quatre quadrants est fabriqué en utilisant un matériau en silicium noir selon le nouveau processus; la structure schématique proposée dans cet article est illustrée sur la figure 1. Le photodétecteur proposé est composé d'une couche photosensible, d'une rainure d'isolation et d'une couche de silicium noir. Le diamètre extérieur de la surface photosensible est de 8 mm, tandis que le diamètre intérieur est de 2 mm, et les zones photosensibles sont séparées les unes des autres par des fentes d'isolement. Le photodétecteur proposé peut déterminer la taille de décalage et l'orientation de la cible par rapport à l'axe optique en fonction de différents résultats de détection de quadrant, obtenant ainsi un positionnement précis.

Le courant de réponse, la caractéristique de courant d'obscurité, le temps de montée et la caractéristique de diaphonie du photodétecteur sont simulés par le logiciel commercial COMSOL Multiphysics 5.4a afin de concevoir la structure optimale. Le courant de réponse, la caractéristique de courant d'obscurité, le temps de montée du photodétecteur peuvent être obtenus par les équations. 1-3. On peut voir que le courant de réponse, le courant d'obscurité et le temps de réponse sont étroitement liés à l'épaisseur de la couche I et à la tension de polarisation lorsque la surface, la puissance incidente et le paramètre de matériau sont déterminés ; par conséquent, ces paramètres sont principalement simulés.

Dans laquelle P représente la puissance incidente, R est la réflectance, est le coefficient d'absorption, W représente l'épaisseur de la couche I, D est le coefficient de diffusion des trous et est la durée de vie du porteur. E \(\propto\) tension de polarisation, t_RC représente la constante de temps du circuit qui est principalement déterminée par la résistance et la capacité équivalentes. t_d est le temps de diffusion, et τ_d est le temps de transit.

Les influences de la tension de polarisation inversée sur les paramètres ci-dessus sont illustrées sur la figure 3, on peut voir qu'avec les augmentations de la tension de polarisation, le courant de réponse et le courant d'obscurité augmenteront également ; cependant, le temps de montée sera diminué. Par conséquent, il est nécessaire d'équilibrer la contradiction entre le courant de réponse, le temps de montée et le courant d'obscurité lorsque la polarisation augmente et de choisir la polarisation appropriée en fonction de la demande. De la même manière, l'épaisseur de la couche I de la structure PIN, qui détermine grandement l'épaisseur du photodétecteur, est également simulée et les résultats sont présentés sur la figure 4. Pendant ce temps, la figure 5 donne l'influence de la largeur de la fente d'isolement sur le photodétecteur. , on peut voir que lorsque la largeur de la fente d'isolement est augmentée à 100 μm, le taux de diaphonie est fondamentalement stable. Selon les résultats de la simulation, le courant de réponse optimal, le courant d'obscurité et le temps de montée sont obtenus, les paramètres spécifiques de l'appareil sont indiqués dans le tableau 1.

Le courant de réponse, la caractéristique de courant d'obscurité et la courbe de changement de temps de montée du photodétecteur à différentes tensions de polarisation inversées

Le courant de réponse, la caractéristique de courant d'obscurité et la courbe de changement de temps de montée du photodétecteur à différentes épaisseurs de couche I

L'influence de la largeur de fente d'isolement sur le taux de diaphonie

Afin d'obtenir une réponse élevée, une vitesse de réponse rapide et une stabilité élevée du photodétecteur, certains processus de fabrication ont également été optimisés [22,23,24]. Premièrement, la rainure d'isolement et la bague de blocage sont conçues pour réduire la diaphonie entre les zones photosensibles adjacentes. Deuxièmement, les processus d'amincissement et de polissage des plaquettes sont utilisés pour réduire l'épaisseur de la couche d'appauvrissement afin d'améliorer la vitesse de réponse du dispositif. Troisièmement, la préparation du silicium noir par ablation laser femtoseconde en une étape est cruciale pour obtenir une bonne répétabilité et stabilité des matériaux de silicium noir. Enfin, le traitement de passivation souterraine de la couche de silicium noir est utilisé pour réduire et réguler la densité de l'état de défaut de surface et réduire le composé de poids mort des porteurs photogéniques pour obtenir une réactivité élevée du photodétecteur. Le processus de fabrication spécifique du photodétecteur est illustré à la Fig. 2. Le schéma final du dispositif est illustré à la Fig. 2j, dans lequel l'épaisseur de la couche I est de 180 μm et l'épaisseur de la couche PN est de 10 μm, P ⁺ est formé par un fort dopage du silicium de type B sur P, N ⁺ est formé par diffusion de P, et l'électrode de contact a été déposée par évaporation thermique.

La figure 6 montre les changements de la morphologie de la surface et des propriétés photoélectriques du silicium noir dopé au Se sensible à la lumière après un recuit à haute température, les paramètres d'usinage spécifiques sont les suivants :vitesse de balayage :1 mm/s ; densité de puissance laser :4,5 kJ/m ² ; Pression de gaz HF :9 × 10 ⁴ Pa. On peut voir sur la figure que la morphologie de la surface avant et après le recuit à haute température est plus uniformément répartie sur le réseau de silicium noir effilé à l'échelle nanométrique sans changement évident. En termes de spectre d'absorption, le taux d'absorption moyen après recuit du silicium noir réalisé selon le nouveau procédé dans cet article a atteint 83,12 %, la résistance au feu s'est considérablement améliorée par rapport au taux d'absorption d'environ 50 % après recuit du silicium noir dopé S. . De plus, l'effet de la vitesse de balayage des impulsions laser femtosecondes sur les performances du matériau de silicium noir a été testé et les résultats sont illustrés sur la figure 7. On peut voir qu'avec la diminution de la vitesse, la quantité de dopage de l'élément Se augmente continuellement, ce qui conduit à la forme plus évidente du cône de pointe en silicium noir et à un taux d'absorption plus élevé.

Les changements de la morphologie de surface et des propriétés photoélectriques du matériau après recuit à haute température

La morphologie de surface et les spectres d'absorption des matériaux à différentes vitesses de balayage a 10 mm/s, b 5 mm/s, c 2 mm/s, d 1 mm/s

Selon la théorie de la cartographie Tauc, la bande interdite du matériau peut être obtenue par la transformation de son spectre d'absorption [25] :

Dans lequel A représente l'absorption spectrale, R est la réflectance. Le point d'inflexion (le point maximum de la dérivée première) est obtenu en calculant la dérivée première de hv-(hvF(R∞)) ^1/2 courbe, et la tangente de la courbe est faite à ce point. L'abscisse de l'intersection de la tangente et de l'axe X est la bande interdite de l'échantillon. Les résultats de largeur de bande interdite équivalente de matériaux de silicium noir à différentes vitesses de balayage sont présentés dans le tableau 2, avec la diminution de la vitesse de balayage et l'augmentation de la concentration de dopage Se, la largeur de bande interdite diminue par rapport aux 1,12 eV des matériaux de silicium traditionnels, et le la bande spectrale augmente.

La jonction PIN du double photodétecteur à quatre quadrants est simulée à différentes bandes interdites de matériaux. Les résultats de la simulation sont illustrés à la Fig. 8 ; les résultats montrent qu'avec la diminution de la largeur de bande interdite, le pic d'absorption du photocourant est décalé vers la bande proche infrarouge. Par conséquent, compte tenu des résultats de la simulation, des performances optiques et électriques du photodétecteur, la vitesse de balayage optimale peut être sélectionnée.

Réactivité du silicium noir par différentes bandes interdites

Le même processus de simulation est utilisé pour déterminer les paramètres optimaux de préparation du matériau dans différentes conditions expérimentales, telles que la densité de puissance optique et la pression d'air HF, qui sont illustrées sur les Fig. 9 et 10.

La morphologie de surface et les spectres d'absorption des matériaux à différentes pressions d'air HF a 1 × 10 ⁴ Papa, b 3,5 × 10 ⁴ Pa, c 6 × 10 ⁴ Pa, d 8.5 × 10 ⁴ Pa

La morphologie de surface et les spectres d'absorption des matériaux à différentes densités de puissance optique a 2,5 kJ/m ² , b 4,5 kJ/m ² , c 6,0 kJ/m ² , d 9,0 kJ/m ²

Les paramètres d'usinage spécifiques sont les suivants :vitesse de balayage :1 mm/s ; densité de puissance laser :4,5 kJ/m ² ; Pression de gaz HF :9 × 10 ⁴ Pa, sous les paramètres expérimentaux ci-dessus, le matériau de silicium noir a été préparé par la nouvelle technologie, et le double photodétecteur à quatre quadrants a été fabriqué. L'image physique du photodétecteur et les résultats des tests sont présentés dans la Fig. 11, les tableaux 3 et 4, et les résultats de la réactivité sont mesurés par couche de 2 mW. Les résultats montrent que la réactivité moyenne de l'unité est de 0,528 A/W à 1060 nm et de 0,102 A/W à 1180 nm à une polarisation inversée de 50 V, la bande de réponse s'étend de 400 à 1200 nm, ce qui est fondamentalement le même que la simulation résultat. Le taux d'absorption spectrale moyen est supérieur à 90% et le courant d'obscurité moyen est inférieur à 8 nA, le courant d'obscurité est mesuré en ajoutant une boîte noire au détecteur pour mesurer le courant sous la polarisation inversée, et les résultats du courant d'obscurité sont un peu plus grand que les résultats de la simulation, car l'uniformité de la profondeur de la jonction dans la région photosensible n'est pas idéale dans le traitement réel. Pendant ce temps, le temps de réponse est mesuré en lisant le changement de photocourant à travers un oscilloscope lors de l'utilisation d'un signal d'impulsion laser agissant sur le détecteur, et le temps de montée moyen est inférieur à 12 ns, ce qui est conforme aux résultats de simulation attendus. Par conséquent, le photodétecteur fabriqué dans ce document permet non seulement un positionnement précis dans les quatre quadrants, mais assure également une large bande de détection, un faible courant d'obscurité et une réponse rapide.

a L'image physique du double photodétecteur à quatre quadrants. b La réactivité de différents échantillons de photodétecteurs doubles à quatre quadrants

Conclusions

Dans cet article, un nouveau procédé de préparation de silicium noir est proposé, par lequel un matériau de silicium noir optique dopé au Se à piégeage élevé est préparé par ablation laser femtoseconde de silicium à haute résistance recouvert d'un film de Se dans une atmosphère de gaz HF. Les résultats indiquent que l'absorptivité moyenne de la bande 400-2200 nm avant recuit est de 96,81%, et l'absorptivité se maintient à 81,28% après recuit à 600 degrés. Pendant ce temps, du silicium noir préparé selon la nouvelle technologie est utilisé dans un photodétecteur double à quatre quadrants, les résultats montrent que la réactivité moyenne de l'unité est de 0,528 A/W à 1060 nm et de 0,102 A/W à 1180 nm avec une polarisation de 50 V, et le courant d'obscurité moyen est de 2 nA dans les quadrants internes et de 8 nA dans les quadrants externes. Le double photodétecteur à quatre quadrants basé sur du silicium noir amélioré dans le proche infrarouge présente les avantages d'une réactivité élevée, d'un faible courant d'obscurité, d'une réponse rapide et d'une faible diaphonie, il est donc approprié pour une série d'applications, telles que la détection de vision nocturne et le médical champ.

Disponibilité des données et des matériaux

Les ensembles de données utilisés ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

SEM :

Microscopie électronique à balayage

NIR :

Proche infrarouge