Photodétecteur proche infrarouge à haute efficacité à double quadrant utilisant du silicium noir à l'échelle nanométrique

Résumé

Cet article propose un nouveau procédé de préparation de silicium noir nanométrique, permettant d'obtenir un matériau de silicium noir dopé au sélénium à forte capture optique par ablation laser pulsée nanoseconde de silicium à haute résistance revêtu d'un film de Se dans une atmosphère de gaz HF. Les résultats indiquent que l'absorptivité moyenne dans la bande 400–2200 nm avant recuit est de 96,81 %, et se maintient à 81,28 % après recuit à 600 °C. Par ailleurs, le silicium noir ainsi préparé est utilisé dans un photodétecteur double quatre quadrants : à un biais inverse de 50 V, la réponsivité moyenne unitaire est de 0,528 A/W à 1060 nm et 0,102 A/W à 1180 nm, et le courant d'obscurité moyen est de 2 nA pour les quadrants internes et 8 nA pour les externes. Ce photodétecteur double quatre quadrants basé sur silicium noir proche infrarouge amélioré présente les avantages de haute réponsivité, faible courant d'obscurité, réponse rapide et faible diaphonie, le rendant approprié pour diverses applications comme la vision nocturne et le domaine médical.

Introduction

Les photodétecteurs proches infrarouges améliorés peinent à atteindre des performances satisfaisantes comparés aux photodétecteurs à d'autres longueurs d'onde, limités par la gamme de réponse, le taux de réponse, le courant d'obscurité et la diaphonie dans la bande proche infrarouge. Cependant, depuis que Carey a développé le premier détecteur infrarouge à silicium noir en 2005, les photodétecteurs proches infrarouges basés sur silicium noir se développent rapidement. Les performances du silicium noir de Carey surpassent largement celles des détecteurs infrarouges au silicium monocristallin. Peu après, des chercheurs ont ajouté une technologie de passivation pour réduire le courant d'obscurité. Le silicium noir est devenu le matériau privilégié pour photodétecteurs silicium proches infrarouges grâce à son taux d'absorption élevé et son large spectre d'absorption.

En tant que l'un des matériaux les plus importants de l'industrie des semi-conducteurs, la maîtrise de la qualité de traitement du silicium noir est cruciale. La préparation de silicium noir à large spectre, forte absorption et faible défaut est essentielle pour photodétecteurs proches infrarouges haute performance. Des recherches existent sur la préparation par laser femtoseconde balayant en atmosphère SF₆, atteignant > 90 % d'absorption de l'ultraviolet au proche infrarouge. Cependant, l'absorption dans le proche infrarouge chute à ~50 % après recuit haute température. Par ailleurs, l'absorption du silicium noir dopé Se et Te est significativement réduite par recuit comparé au dopage S, mais sous dopage par membranes solides de Se et Te, le matériau forme des structures en collines avec piégeage lumineux insuffisant.

Cet article propose un nouveau procédé de silicium noir nanométrique : ablation laser nanoseconde de silicium haute résistance revêtu de film Se en atmosphère HF gazeuse. L'absorptivité moyenne 400–2200 nm avant recuit est 96,81 %, maintenue à 81,28 % après recuit 600 °C. Le silicium noir ainsi obtenu sert à un photodétecteur double quatre quadrants : réponsivité moyenne 0,528 A/W à 1060 nm et 0,102 A/W à 1180 nm à 50 V biais, courant d'obscurité moyen 2 nA (quadrants internes) et 8 nA (externes). Ce photodétecteur offre haute réponsivité, faible courant d'obscurité, réponse rapide et faible diaphonie, adapté à la vision nocturne et au domaine médical.

Méthode

Le photodétecteur a été fabriqué et testé selon les étapes suivantes. D'abord, préparation du matériau silicium noir : wafer silicium type N haute résistance découpé en échantillon 5 cm × 5 cm, nettoyage standard et séchage azote. Poudre Se 99,99 % comme source d'évaporation, dépôt d'un film Se sur l'échantillon Si par machine de revêtement sous vide. Gaz HF introduit lors de la gravure laser femtoseconde, paramètres : vitesse balayage 1 mm/s ; densité puissance laser 4,5 kJ/m² ; pression gaz HF 9 × 10⁴ Pa. Laser femtoseconde : amplificateur Ti:saphir femtoseconde Spectra-Physics. Ensuite, préparation du photodétecteur double quatre quadrants avec le silicium noir, structure schématique et procédés de fabrication détaillés Figures 1 et 2. Enfin, caractérisation morphologique par MEB à émission de champ (SEM), caractéristiques spectrales par spectromètre à fibre optique NIR2500 et sphère intégrante. Courant de réponse, caractéristique courant d'obscurité, temps de montée testés. Source lumineuse : laser bande Amonics ; courant d'obscurité mesuré en ajoutant une boîte noire au détecteur sous biais inverse ; temps de réponse mesuré en lisant la variation de photocourant sur oscilloscope sous impulsion laser.

Résultats et discussion

Le silicium noir dopé Se à forte capture optique est préparé par ablation laser nanoseconde de silicium haute résistance revêtu de film Se en atmosphère HF gazeuse. D'une part, l'effet du recuit sur le silicium noir est réduit car le revêtement Se est supersaturé au lieu du silicium dopé S traditionnel. La diffusion des atomes S hors du réseau Si est plus rapide que Se ; l'effet de recuit est donc moindre. D'autre part, HF se décompose en H⁺ et F⁻ à haute température, l'ion F interagit avec le silicium ablaté par laser femtoseconde à haute température pour produire du SiF₄ volatile ; ainsi, la surface est continuellement gravée, formant une structure de pyramides nanométriques qui réduit efficacement la réflectivité du silicium noir. La passivation de surface optimise la durée de vie des porteurs minoritaires, réduit la densité de défauts et la recombinaison parasite. La gravure laser femtoseconde est simple et reproductible, assurant bonne uniformité du réseau de silicium noir, et réduisant fortement la largeur de bande interdite. En étudiant l'influence de l'atmosphère gazeuse, de la puissance laser et de la vitesse de balayage sur les propriétés du silicium noir, le procédé optimisé est obtenu. Le silicium noir montre une amélioration significative de l'absorption après recuit avec ce nouveau procédé.

Le photodétecteur double quatre quadrants est fabriqué avec ce silicium noir ; la structure schématique proposée est Figure 1. Le photodétecteur comprend une couche photosensible, une gorge d'isolation et une couche de silicium noir. Diamètre externe surface photosensible 8 mm, interne 2 mm, zones photosensibles séparées par fentes d'isolation. Le détecteur proposé détermine la taille et l'orientation du décalage de la cible par rapport à l'axe optique selon les résultats de détection des différents quadrants, assurant un positionnement précis.

Le courant de réponse, caractéristique courant d'obscurité, temps de montée et diaphonie sont simulés par COMSOL Multiphysics 5.4a pour concevoir la structure optimale. Ces paramètres s'obtiennent par équations 1–3. On voit que courant de réponse, courant d'obscurité et temps de réponse sont étroitement liés à l'épaisseur de la couche I et à la tension de biais quand aire, puissance incidente et paramètres matériau sont fixés ; ces paramètres sont donc principalement simulés.

I_p = (qP(1-R))/(hv) · (1 - e^(-αW)/(1 + α√(Dτ))) + qP D/√(Dτ) (1)
I_D = √(A q n W/(2τ)) + (2m/E_g)^(1/2) (q³ E v/(4π² ħ²)) A exp(-4/(3qEħ) √(2m E_g³)) (2)
T = √((2.2 t_RC)² + t_d² + τ_d²) (3)

P = puissance incidente, R = réflectance, α = coefficient d'absorption, W = épaisseur couche I, D = coefficient diffusion trous, τ = durée vie porteurs. E ∝ tension de biais, t_RC = constante de temps circuit (résistance et capacité équivalentes), t_d = temps diffusion, τ_d = temps transit.

L'influence de la tension de biais inverse sur ces paramètres est Figure 3 : avec l'augmentation du biais, courant de réponse et courant d'obscurité augmentent, temps de montée diminue. Il faut donc équilibrer ces contradictions et choisir le biais approprié selon la demande. De même, l'épaisseur de la couche I de la structure PIN, qui détermine largement l'épaisseur du photodétecteur, est simulée (Figure 4). Figure 5 montre l'influence de la largeur de fente d'isolation sur la diaphonie : au-delà de 100 µm, le taux de diaphonie se stabilise. Selon les simulations, les paramètres optimaux sont obtenus (Tableau 1).

Pour obtenir haute réponse, vitesse rapide et haute stabilité, certains procédés de fabrication sont optimisés. 1) Gorge d'isolation et bague de blocage pour réduire la diaphonie entre zones photosensibles adjacentes. 2) Amincissement et polissage du wafer pour réduire l'épaisseur de la couche d'appauvrissement et améliorer la vitesse de réponse. 3) Préparation du silicium noir par ablation laser femtoseconde en une étape, cruciale pour répétabilité et stabilité. 4) Traitement de passivation sous-surface de la couche silicium noir pour réduire/réguler la densité d'états de défauts de surface et réduire la recombinaison morte des porteurs photogéniques, assurant haute réponsivité. Le procédé de fabrication détaillé est Figure 2. Le dispositif final (Fig. 2j) a couche I 180 µm, couche P N 10 µm, P⁺ par dopage lourd B sur Si type P, N⁺ par diffusion P, électrode de contact par évaporation thermique.

Figure 6 montre l'évolution de la morphologie de surface et des propriétés photoélectriques du silicium noir Se-dopé haute sensibilité après recuit haute température, paramètres : vitesse 1 mm/s ; puissance 4,5 kJ/m² ; pression HF 9 × 10⁴ Pa. La morphologie avant/après recuit montre un réseau nanométrique de cônes tronqués uniformément distribué sans changement obvious. En absorption, le taux moyen après recuit atteint 83,12 %, amélioration significative vs ~50 % pour silicium noir dopé S après recuit. L'influence de la vitesse de balayage laser femtoseconde sur les performances a été testée (Figure 7) : en diminuant la vitesse, le dopage Se augmente, formant des cônes plus marqués et une absorption plus élevée.

Selon la théorie du tracé de Tauc, la bande interdite du matériau s'obtient par transformation de son spectre d'absorption :
F(R∞) ≈ A²/(2R) (4)
(hν α)^(1/n) = K(hν - Eg) (5)
hν = 1239,7/λ (6)
(hν F(R∞))^(1/2) = K(hν - Eg) (7)

A = absorption spectrale, R = réflectance. Le point d'inflexion (maximum de la première dérivée) est obtenu en dérivant la courbe hν - (hν F(R∞))^(1/2), la tangente tracée en ce point coupe l'axe X à la valeur de la bande interdite. Les largeurs de bande interdite équivalentes à différentes vitesses sont Tableau 2 : avec la diminution de vitesse et l'augmentation du dopage Se, la bande interdite diminue vs 1,12 eV du silicium traditionnel, élargissant la bande spectrale.

La jonction PIN du photodétecteur double quatre quadrants est simulée à différentes bandes interdites (Figure 8) : la diminution de la bande interdite décale le pic d'absorption photocourant vers le proche infrarouge. Considérant simulation, performances optoélectriques, la vitesse de balayage optimale est sélectionnable.

Le même processus de simulation détermine les paramètres optimaux de préparation sous différentes conditions : densité de puissance optique et pression air HF (Figures 9 et 10).

Paramètres finaux : vitesse 1 mm/s ; puissance 4,5 kJ/m² ; pression HF 9 × 10⁴ Pa. Le silicium noir préparé par la nouvelle technologie sert au photodétecteur double quatre quadrants. Photo physique et résultats test Figures 11, Tableaux 3 et 4, réponsivité mesurée par couche 2 mW. Résultats : réponsivité moyenne unitaire 0,528 A/W à 1060 nm et 0,102 A/W à 1180 nm à biais inverse 50 V, bande de réponse 400–1200 nm, concordant avec simulation. Taux absorption spectral moyen > 90 %, courant d'obscurité moyen < 8 nA (mesuré boîte noire sous biais inverse), légèrement supérieur simulation car l'uniformité de profondeur de jonction dans la zone photosensible n'est pas idéale en fabrication réelle. Temps de réponse mesuré par lecture variation photocourant sur oscilloscope sous impulsion laser : temps de montée moyen < 12 ns, conforme simulation. Le photodétecteur fabriqué assure non seulement le positionnement précis quatre quadrants, mais aussi large bande de détection, faible courant d'obscurité et réponse rapide.

Conclusions

Cet article propose un nouveau procédé de silicium noir : ablation laser femtoseconde de silicium haute résistance revêtu de film Se en atmosphère HF gazeuse. Absorptivité moyenne 400–2200 nm avant recuit 96,81 %, maintenue à 81,28 % après recuit 600 °C. Photodétecteur double quatre quadrants : réponsivité moyenne 0,528 A/W à 1060 nm et 0,102 A/W à 1180 nm à 50 V biais, courant d'obscurité moyen 2 nA (quadrants internes) et 8 nA (externes). Avantages : haute réponsivité, faible courant d'obscurité, réponse rapide, faible diaphonie. Applications : vision nocturne, domaine médical.

Disponibilité des données et matériaux

Les jeux de données utilisés ou analysés durant cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

MEB :

Microscopie électronique à balayage

PIR :

Proche infrarouge