近赤外増強ナノメートルブラックシリコンに基づくデュアル4象限光検出器

はじめに

近赤外増強光検出器[1,2,3]は、応答範囲、応答率、暗電流、および近赤外でのクロストークによって制限されるため、他の波長の光検出器[4,5,6]と比較して満足のいく性能を得るのは困難です。赤外線バンド。しかし、キャリーが2005年に最初のブラックシリコン赤外線検出器を開発して以来、ブラックシリコン材料をベースにした近赤外線光検出器が急速に開発され始めました。 Careyが開発したブラックシリコンの性能は、単結晶シリコン赤外線検出器の性能をはるかに上回っています。やがて、一部の研究者は、暗電流を減らすためにブラックシリコン検出器にパッシベーション技術を追加しました。ブラックシリコン[7,8,9]は、その高い吸収率と広い吸収スペクトルにより、シリコンベースの近赤外増強光検出器に適した材料になりました。

半導体産業で最も重要な材料の1つとして、ブラックシリコン材料の処理品質を適切に管理することが重要です[10、11、12、13、14]。高性能の近赤外光検出器には、広いスペクトル、高い吸収、低い欠陥を備えたブラックシリコンの準備が不可欠です。 SF6雰囲気でのフェムト秒レーザー[15、16]スキャン[17、18]を使用したブラックシリコン材料の調製に関するいくつかの研究があり、紫外線から近赤外帯域のブラックシリコン材料は90％以上の吸収を達成できます[17、18]。 19]。しかし、近赤外領域での吸収は、高温アニーリング後に約50％に減少します。一方、研究者は、SeおよびTeをドープしたブラックシリコンの吸収は、Sをドープしたブラックシリコンと比較してアニーリングによって大幅に減少することを発見しましたが、固体のSeおよびTe膜のドーピングプロセスでは、ブラックシリコン材料は次の形状で作成されます。丘の、そして光トラップは十分ではありません[20、21]。

この論文では、ナノメートルのブラックシリコンの新しい調製プロセスを提案します。これにより、HFガス雰囲気中でSe膜でコーティングされた高抵抗シリコンのナノ秒パルスレーザーアブレーションによって、高トラッピング光学Seドープブラックシリコン材料が調製されます。結果は、アニーリング前の400〜2200 nmバンドの平均吸収率が96.81％であり、600度でのアニーリング後の吸収率が81.28％を維持していることを示しています。一方、新技術で調製されたブラックシリコンは、二重4象限光検出器で使用されています。結果は、平均ユニット応答性が1060nmで0.528A / W、1180nmで0.102A / W、バイアス50Vであるということを示しています。平均暗電流は、内側の象限で2 nA、外側の象限で8nAです。近赤外強化ブラックシリコンをベースにしたデュアル4象限光検出器は、応答性が高く、暗電流が低く、応答が速く、クロストークが少ないという利点があるため、暗視検出や医療などの一連のアプリケーションに適しています。フィールド。

メソッド

光検出器は、以下のプロセスによって製造およびテストされました。まず、黒色シリコン材料を準備し、N型高抵抗シリコンウェーハを5cm×5cmのサンプルに切断し、サンプルを標準的な洗浄手順で洗浄し、窒素雰囲気でブロー乾燥させました。次に、純度99.99％のSe粉末を蒸着源とし、真空コーティング機でSi試料の表面にSe膜を堆積させた。フェムト秒レーザーエッチングプロセスでHFガスが導入され、処理パラメーターは次のとおりです。スキャン速度：1 mm / s;レーザー出力密度：4.5 kJ / m ² ; HFガス圧：9×10 ⁴ Pa。この論文で使用されているフェムト秒レーザーは、Spectra-Physics Corporationによって製造されたTi：sapphireフェムト秒レーザー増幅器です。次に、ブラックシリコン材料を使用してダブル4象限光検出器を作成しました。デュアル4象限光検出器の概略構造と特定の製造プロセスを図1および2に示します。最後に、ブラックシリコンの形態を電界放出型走査電子顕微鏡（SEM）で特性評価し、材料のスペクトル特性をNIR2500光ファイバー分光計と積分球でテストしました。一方、応答電流、暗電流特性、光検出器の立ち上がり時間をテストしました。試験中、光源はアモニクスバンドのレーザーであり、暗電流は検出器にブラックボックスを追加して逆バイアス下の電流を測定することによって測定され、応答時間は光電流の変化を読み取​​ることによって測定されます。検出器に作用するレーザーパルス信号を使用する場合のオシロスコープ。

デュアル4象限光検出器の概略構造

光検出器の特定の製造プロセス

結果と考察

この論文では、高トラッピング光学Seドープブラックシリコン材料は、HFガス雰囲気中でSe膜でコーティングされた高抵抗シリコンのナノ秒パルスレーザーアブレーションによって調製されます。一方では、従来のSドープシリコンを使用する代わりにSeコーティングが過飽和であるため、ブラックシリコンに対するアニーリングの影響が減少します。 Si格子からのS原子の拡散速度はSeよりも速い。したがって、アニーリング効果は低くなります。一方、HFは高温でH +とF-に分解され、Fイオンは高温でフェムト秒レーザーによってアブレーションされたシリコン材料と相互作用して揮発性SiF4を生成します。このようにして、材料の表面が連続的にエッチングされ、ナノスケールのピラミッド構造が形成されます。レーザーエッチングによって生成されたナノスケールのピラミッドは、ブラックシリコンの反射率を効果的に低減します。一方、表面パッシベーションは少数キャリアの寿命を最適化し、ブラックシリコン材料の欠陥密度と不要なキャリア再結合を低減します。フェムト秒レーザーエッチングはシンプルで再現性があり、ブラックシリコンアレイの均一性は良好ですが、ブラックシリコンのバンドギャップ幅を大幅に減らすことができます。ブラックシリコン材料の特性に及ぼすガス雰囲気、レーザー出力、レーザー走査速度の影響をさらに研究することにより、最適化されたプロセスフローを得ることができます。ブラックシリコンは、新しいプロセスによって準備されたアニーリング後の吸収が大幅に改善されています。

デュアル4象限光検出器は、新しいプロセスでブラックシリコン材料を使用して製造されています。この論文で提案された概略構造を図1に示します。提案された光検出器は、感光層、分離溝、および黒色シリコン層で構成されています。感光面の外径は8mm、内径は2 mmであり、感光領域は分離スロットによって互いに分離されています。提案された光検出器は、さまざまな象限検出結果に従って、光軸に対するターゲットのオフセットサイズと方向を決定できるため、正確なポジショニングを実現できます。

光検出器の応答電流、暗電流特性、立ち上がり時間、およびクロストーク特性は、最適な構造を設計するために、商用ソフトウェアCOMSOL Multiphysics5.4aによってシミュレートされます。光検出器の応答電流、暗電流特性、立ち上がり時間は、式（1）で求めることができます。 1–3。面積、入射電力、および材料パラメータを決定する場合、応答電流、暗電流、および応答時間は、層Iの厚さとバイアス電圧に密接に関連していることがわかります。したがって、これらのパラメータは主にシミュレートされます。

ここで、Pは入射パワー、Rは反射率、αは吸収係数、Wは層Iの厚さ、Dは正孔拡散係数、τはキャリア寿命を表します。 E \（\ propto \）バイアス電圧、t _RC は回路の時定数を表し、主に等価抵抗と静電容量によって決まります。 t _d は拡散時間であり、τ _d 通過時間です。

上記のパラメータに対する逆バイアス電圧の影響を図3に示します。バイアス電圧が増加すると、応答電流と暗電流も増加することがわかります。ただし、立ち上がり時間は短くなります。したがって、バイアスが増加するにつれて、応答電流、立ち上がり時間、および暗電流の間の矛盾のバランスを取り、需要に応じて適切なバイアスを選択する必要があります。同様に、光検出器の厚さを大きく左右するPIN構造のI層の厚さもシミュレーションし、その結果を図4に示します。一方、図5は、光検出器のアイソレーションスロット幅の影響を示しています。 、アイソレーションスロットの幅を100 µmに増やすと、クロストークレートは基本的に安定していることがわかります。シミュレーション結果によると、最適な応答電流、暗電流、立ち上がり時間が得られ、特定のデバイスパラメータを表1に示します。

異なる逆バイアス電圧での光検出器の応答電流、暗電流特性、および立ち上がり時間の変化曲線

層Iのさまざまな厚さでの光検出器の応答電流、暗電流特性、および立ち上がり時間の変化曲線

クロストーク率に対するアイソレーションスロット幅の影響

光検出器の高応答、高速応答速度、および高安定性を実現するために、一部の製造プロセスも最適化されています[22、23、24]。まず、絶縁溝とブロッキングリングは、隣接する感光領域間のクロストークを低減するように設計されています。次に、ウェーハの薄化および研磨プロセスを使用して、空乏層の厚さを減らし、デバイスの応答速度を向上させます。第三に、ワンステップフェムト秒レーザーアブレーションによるブラックシリコンの調製は、ブラックシリコン材料の良好な再現性と安定性を達成するために重要です。最後に、ブラックシリコン層の表面下パッシベーション処理を使用して、表面欠陥状態の密度を低減および調整し、光発生キャリアのデッドウェイト化合物を低減して、光検出器の高い応答性を実現します。光検出器の具体的な製造プロセスを図2に示します。最終的なデバイス図を図2jに示します。ここで、層Iの厚さは180μm、層PNの厚さは10μm、P ⁺ P型シリコンN ⁺ へのBの高濃度ドーピングによって形成されます。 はPの拡散によって形成され、接触電極は熱蒸着によって堆積されました。

図6は、高温アニーリング後の高ノッチ感光性Seドープブラックシリコンの表面形態と光電特性の変化を示しています。具体的な加工パラメータは次のとおりです。スキャン速度：1 mm / s;レーザー出力密度：4.5 kJ / m ² ; HFガス圧：9×10 ⁴ Pa。高温アニーリングの前後の表面形態が、明らかな変化なしにナノスケールのテーパーブラックシリコンアレイ上でより均一に分布していることが図からわかります。吸収スペクトルに関しては、本論文の新プロセスで作製したブラックシリコンの焼鈍後の平均吸収率は83.12％に達し、Sドープブラックシリコンの焼鈍後の約50％の吸収率と比較して耐火性が大幅に向上しました。 。さらに、フェムト秒レーザーパルススキャン速度がブラックシリコン材料の性能に及ぼす影響をテストし、その結果を図7に示します。速度が低下すると、Se元素のドーピング量が連続的に増加することがわかります。これにより、黒いシリコンチップコーンの形状がより明確になり、吸収率が高くなります。

高温アニーリング後の材料の表面形態と光電特性の変化

さまざまなスキャン速度での材料の表面形態と吸収スペクトル a 10 mm / s、 b 5 mm / s、 c 2 mm / s、 d 1 mm / s

Taucマッピング理論によれば、材料のバンドギャップは、その吸収スペクトルの変換によって取得できます[25]：

ここで、Aはスペクトル吸収を表し、Rは反射率を表します。変曲点（一次導関数の最大点）は、hv-（hvF（R∞）） ^1/2 の一次導関数を計算することによって得られます。 曲線であり、この点で曲線の接線が作成されます。接線とX軸の交点の横軸は、サンプルのバンドギャップです。さまざまなスキャン速度でのブラックシリコン材料の等価バンドギャップ幅の結果を表2に示します。スキャン速度が低下し、Seドーピング濃度が増加すると、バンドギャップ幅は従来のシリコン材料の1.12eVと比較して減少します。スペクトルバンドが増加しています。

デュアル4象限光検出器のPI​​N接合は、材料のさまざまなバンドギャップでシミュレートされます。シミュレーション結果を図8に示します。結果は、バンドギャップ幅の減少に伴い、光電流吸収ピークが近赤外帯域に向かってシフトすることを示しています。したがって、シミュレーション結果、光検出器の光学的および電気的性能を考慮して、最適なスキャン速度を選択できます。

異なるバンドギャップによるブラックシリコンの応答性

同じシミュレーションプロセスを使用して、光パワー密度やHF空気圧など、さまざまな実験条件下で最適な材料準備パラメータを決定します。これらを図1および2に示します。 9と10。

さまざまなHF空気圧での材料の表面形態と吸収スペクトル a 1×10 ⁴ Pa、 b 3.5×10 ⁴ Pa、 c 6×10 ⁴ Pa、 d 8.5×10 ⁴ Pa

さまざまな光パワー密度での材料の表面形態と吸収スペクトル a 2.5 kJ / m ² 、 b 4.5 kJ / m ² 、 c 6.0 kJ / m ² 、 d 9.0 kJ / m ²

具体的な加工パラメータは次のとおりです。スキャン速度：1 mm / s;レーザー出力密度：4.5 kJ / m ² ; HFガス圧：9×10 ⁴ Pa、上記の実験パラメータの下で、黒いシリコン材料が新しい技術によって準備され、二重の4象限光検出器が作られました。光検出器の物理的画像とテスト結果を図11、表3および4に示し、応答性の結果を2mWの層で測定します。結果は、平均ユニット応答性が1060nmで0.528A / W、50Vの逆バイアスで1180nmで0.102A / Wであり、応答帯域の範囲が400〜1200 nmであることを示しています。これは、基本的にシミュレーションと同じです。結果。平均スペクトル吸収率は90％を超え、平均暗電流は8 nA未満です。暗電流は、検出器にブラックボックスを追加して逆バイアス下の電流を測定することで測定され、暗電流の結果は次のようになります。感光領域の接合部の深さの均一性は実際の処理では理想的ではないため、シミュレーション結果よりも少し大きくなります。一方、応答時間は、検出器に作用するレーザーパルス信号を使用してオシロスコープで光電流の変化を読み取​​ることで測定され、平均立ち上がり時間は12 ns未満であり、予想されるシミュレーション結果と一致します。したがって、この論文で製造された光検出器は、4象限の正確な位置決めを実現するだけでなく、広い検出帯域、低い暗電流、および高速応答を保証します。

aデュアル4象限光検出器の物理的画像。 b さまざまなデュアル4象限光検出器サンプルの応答性

結論

本論文では、HFガス雰囲気中でSe膜でコーティングされた高抵抗シリコンのフェムト秒レーザーアブレーションによって高トラッピング光学Seドープブラックシリコン材料を調製するブラックシリコンの新しい調製プロセスを提案した。結果は、アニーリング前の400〜2200 nmバンドの平均吸収率が96.81％であり、600度でのアニーリング後の吸収率が81.28％を維持していることを示しています。一方、新技術で調製されたブラックシリコンは、二重4象限光検出器で使用されています。結果は、平均ユニット応答性が1060nmで0.528A / W、1180nmで0.102A / W、バイアス50Vであるということを示しています。平均暗電流は、内側の象限で2 nA、外側の象限で8nAです。近赤外強化ブラックシリコンをベースにしたデュアル4象限光検出器は、応答性が高く、暗電流が低く、応答が速く、クロストークが少ないという利点があるため、暗視検出や医療などの一連のアプリケーションに適しています。フィールド。

データと資料の可用性

現在の調査中に使用または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて対応する著者から入手できます。

略語

SEM：

走査型電子顕微鏡

NIR：

近赤外線