Un fotodetector doble de cuatro cuadrantes basado en un nanómetro mejorado de infrarrojo cercano de silicio negro

Resultados y discusión

En este artículo, el material de silicio negro dopado con Se óptico de alto atrapamiento se prepara mediante ablación con láser pulsado de nanosegundos de silicio de alta resistencia recubierto con película de Se en una atmósfera de gas HF. Por un lado, el efecto del recocido sobre el silicio negro se reduce porque el revestimiento de Se está sobresaturado en lugar de utilizar el silicio dopado S tradicional. La velocidad de difusión de los átomos de S en la red de Si es más rápida que la de Se; por lo tanto, el efecto de recocido es pobre. Por otro lado, el HF se descompone en H + y F− a alta temperatura, y el ión F interactúa con el material de silicio eliminado por láser de femtosegundos a alta temperatura para producir SiF4 volátil; De esta manera, la superficie del material se graba continuamente, formando una estructura piramidal a nanoescala, la pirámide a nanoescala producida por grabado con láser reduce efectivamente la reflectividad del silicio negro. Mientras tanto, la pasivación de la superficie optimiza la vida útil de los portadores minoritarios y reduce la densidad de defectos del material de silicio negro y la recombinación innecesaria de portadores. El grabado con láser de femtosegundos es simple y reproducible, por lo que la uniformidad de la matriz de silicio negro es buena, mientras que el ancho de banda prohibida del silicio negro se puede reducir considerablemente. Al estudiar más a fondo la influencia de la atmósfera de gas, la potencia del láser y la velocidad de escaneo del láser sobre las propiedades del material de silicio negro, se puede obtener el flujo de proceso optimizado. El silicio negro tiene una mejora significativa en la absorción después del recocido preparado por el nuevo proceso.

El fotodetector dual de cuatro cuadrantes se fabrica utilizando material de silicio negro bajo el nuevo proceso; la estructura esquemática propuesta en este trabajo se ilustra en la Fig. 1. El fotodetector propuesto está compuesto por capa fotosensible, surco de aislamiento y capa de silicio negro. El diámetro exterior de la superficie fotosensible es de 8 mm, mientras que el diámetro interior es de 2 mm, y las áreas fotosensibles están separadas entre sí por ranuras de aislamiento. El fotodetector propuesto puede determinar el tamaño de desplazamiento y la orientación del objetivo en relación con el eje óptico de acuerdo con los resultados de detección de diferentes cuadrantes, logrando así un posicionamiento preciso.

La corriente de respuesta, la característica de corriente oscura, el tiempo de subida y la característica de diafonía del fotodetector se simulan mediante el software comercial COMSOL Multiphysics 5.4a para diseñar la estructura óptima. La corriente de respuesta, la característica de la corriente oscura, el tiempo de aumento del fotodetector se pueden obtener mediante las ecuaciones. 1-3. Puede verse que la corriente de respuesta, la corriente oscura y el tiempo de respuesta están estrechamente relacionados con el espesor de la capa I y el voltaje de polarización cuando se determinan el área, la potencia incidente y el parámetro del material; por lo tanto, estos parámetros se simulan principalmente.

En el que P representa potencia incidente, R es reflectancia, α es coeficiente de absorción, W representa el espesor de la capa I, D es el coeficiente de difusión del agujero y τ es la vida útil del portador. E \ (\ propto \) voltaje de polarización, t _RC representa la constante de tiempo del circuito que está determinada principalmente por la resistencia y capacitancia equivalentes. t _d es el tiempo de difusión y τ _d es el tiempo de tránsito.

Las influencias de la tensión de polarización invertida sobre los parámetros anteriores se ilustran en la figura 3, se puede ver que con los aumentos en la tensión de polarización, la corriente de respuesta y la corriente oscura también aumentarán; sin embargo, se reducirá el tiempo de subida. Por lo tanto, es necesario equilibrar la contradicción entre la corriente de respuesta, el tiempo de subida y la corriente oscura a medida que aumenta el sesgo y elegir el sesgo apropiado de acuerdo con la demanda. De la misma manera, el grosor de la capa I de la estructura del PIN, que determina en gran medida el grosor del fotodetector, también se simula y los resultados se muestran en la Fig. 4. Mientras tanto, la Fig. 5 muestra la influencia del ancho de la ranura de aislamiento en el fotodetector. , se puede ver que cuando el ancho de la ranura de aislamiento aumenta a 100 μm, la tasa de diafonía es básicamente estable. Según los resultados de la simulación, se obtienen la corriente de respuesta óptima, la corriente oscura y el tiempo de subida; los parámetros específicos del dispositivo se muestran en la Tabla 1.

La corriente de respuesta, la característica de corriente oscura y la curva de cambio de tiempo ascendente del fotodetector a diferentes voltajes de polarización inversa

La corriente de respuesta, la característica de la corriente oscura y la curva de cambio de tiempo de subida del fotodetector en diferentes espesores de la capa I

La influencia del ancho de la ranura de aislamiento en la tasa de diafonía

Para lograr una alta respuesta, una rápida velocidad de respuesta y una alta estabilidad del fotodetector, también se han optimizado algunos procesos de fabricación [22, 23, 24]. Primero, la ranura de aislamiento y el anillo de bloqueo están diseñados para reducir la diafonía entre áreas fotosensibles adyacentes. En segundo lugar, se utilizan procesos de adelgazamiento y pulido de obleas para reducir el espesor de la capa de agotamiento y mejorar la velocidad de respuesta del dispositivo. En tercer lugar, la preparación de silicio negro mediante ablación con láser de femtosegundo en un solo paso es crucial para lograr una buena repetibilidad y estabilidad de los materiales de silicio negro. Por último, el tratamiento de pasivación del subsuelo de la capa de silicio negro se utiliza para reducir y regular la densidad del estado de defecto de la superficie y reducir el compuesto de peso muerto de los portadores fotogénicos para lograr una alta capacidad de respuesta del fotodetector. El proceso de fabricación específico del fotodetector se muestra en la Fig. 2. El diagrama final del dispositivo se muestra en la Fig. 2j, en la que el grosor de la capa I es de 180 μm y el grosor de la capa PN es de 10 μm, P ⁺ está formado por un fuerte dopado de B sobre silicio de tipo P, N ⁺ se forma por difusión de P, y el electrodo de contacto se depositó por evaporación térmica.

La Figura 6 muestra los cambios de la morfología de la superficie y las propiedades fotoeléctricas del silicio negro dopado con Se sensible a la luz de alta muesca después del recocido a alta temperatura, los parámetros de mecanizado específicos son los siguientes:velocidad de exploración:1 mm / s; Densidad de potencia láser:4,5 kJ / m ² ; Presión de gas HF:9 × 10 ⁴ Pa. Se puede ver en la figura que la morfología de la superficie antes y después del recocido a alta temperatura se distribuye de manera más uniforme en la matriz de silicio negro cónico a nanoescala sin cambios obvios. En términos del espectro de absorción, la tasa de absorción promedio después del recocido de silicio negro realizado bajo el nuevo proceso en este papel alcanzó el 83,12%, la resistencia al fuego mejoró significativamente en comparación con la tasa de absorción de aproximadamente el 50% después del recocido de silicio negro dopado con S . Además, se probó el efecto de la velocidad de escaneo del pulso láser de femtosegundos sobre el rendimiento del material de silicio negro, y los resultados se ilustran en la Fig. 7. Puede verse que con la disminución de la velocidad, la cantidad de dopaje del elemento Se aumenta continuamente, lo que conduce a la forma más obvia del cono de punta de silicio negro y una mayor tasa de absorción.

Los cambios de la morfología de la superficie y las propiedades fotoeléctricas del material después del recocido a alta temperatura

La morfología de la superficie y los espectros de absorción de los materiales a diferentes velocidades de escaneo a 10 mm / s, b 5 mm / s, c 2 mm / s, d 1 mm / s

Según la teoría del mapeo de Tauc, la banda prohibida del material se puede obtener mediante la transformación de su espectro de absorción [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) $$ \ left ({{\ text {h}} \ nu {\ text { F}} \ left ({{\ text {R}} \ infty} \ right)} \ right) ^ {{\ frac {{1}} {{2}}}} ={\ text {K}} \ izquierda ({{\ text {h}} \ nu - {\ text {Eg}}} \ right) $$ (7)

En el que A significa absorción espectral, R es reflectancia. El punto de inflexión (el punto máximo de la primera derivada) se obtiene calculando la primera derivada de hv- (hvF (R∞)) ^1/2 curva, y la tangente de la curva se hace en este punto. El valor de la abscisa de la intersección de la tangente y el eje X son el intervalo de banda de la muestra. Los resultados de ancho de banda prohibida equivalente de los materiales de silicio negro a diferentes velocidades de escaneo se muestran en la Tabla 2, con la disminución en la velocidad de escaneo y el aumento en la concentración de dopaje de Se, el ancho de banda prohibida está disminuyendo en comparación con el 1.12 eV de los materiales de silicio tradicionales, y el La banda espectral está aumentando.

La unión PIN del fotodetector dual de cuatro cuadrantes se simula en diferentes bandas prohibidas de materiales. Los resultados de la simulación se ilustran en la Fig. 8; los resultados muestran que con la disminución del ancho de banda prohibida, el pico de absorción de fotocorriente se desplaza hacia la banda del infrarrojo cercano. Por lo tanto, considerando los resultados de la simulación, el rendimiento óptico y eléctrico del fotodetector, se puede seleccionar la velocidad de escaneo óptima.

Responsividad del silicio negro por diferentes bandgap

El mismo proceso de simulación se utiliza para determinar los parámetros óptimos de preparación del material en diferentes condiciones experimentales, como la densidad de potencia óptica y la presión del aire de alta frecuencia, que se muestran en las Figs. 9 y 10.

La morfología de la superficie y los espectros de absorción de los materiales a diferentes presiones de aire de alta frecuencia a 1 × 10 ⁴ Pa, b 3,5 × 10 ⁴ Pa, c 6 × 10 ⁴ Pa, d 8,5 × 10 ⁴ Pa

La morfología de la superficie y los espectros de absorción de los materiales a diferentes densidades de potencia 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

Los parámetros específicos de mecanizado son los siguientes:velocidad de exploración:1 mm / s; Densidad de potencia láser:4,5 kJ / m ² ; Presión de gas HF:9 × 10 ⁴ Pa, bajo los parámetros experimentales anteriores, el material de silicio negro se preparó mediante la nueva tecnología y se fabricó el fotodetector doble de cuatro cuadrantes. La imagen física del fotodetector y los resultados de la prueba se muestran en la Fig. 11, Tablas 3 y 4, y los resultados de la capacidad de respuesta se miden mediante una capa de 2 mW. Los resultados muestran que la capacidad de respuesta promedio de la unidad es 0.528 A / W a 1060 nm y 0.102 A / W a 1180 nm con una polarización inversa de 50 V, la banda de respuesta varía de 400 a 1200 nm, que son básicamente las mismas que en la simulación. resultado. La tasa de absorción espectral promedio es superior al 90% y la corriente oscura promedio es inferior a 8 nA, la corriente oscura se mide agregando una caja negra al detector para medir la corriente bajo el sesgo inverso, y los resultados de la corriente oscura son un poco más grande que los resultados de la simulación, porque la uniformidad de profundidad de la unión en la región fotosensible no es ideal en el procesamiento real. Mientras tanto, el tiempo de respuesta se mide leyendo el cambio de fotocorriente a través de un osciloscopio cuando se usa una señal de pulso láser que actúa sobre el detector, y el tiempo medio de aumento es inferior a 12 ns, lo que se ajusta a los resultados de simulación esperados. Por lo tanto, el fotodetector fabricado en este documento no solo logra un posicionamiento preciso en cuatro cuadrantes, sino que también asegura una banda de detección ancha, baja corriente de oscuridad y una respuesta rápida.

a Imagen física de un fotodetector dual de cuatro cuadrantes. b La capacidad de respuesta de diferentes muestras de fotodetectores duales de cuatro cuadrantes

Conclusiones

En este trabajo, se propone un nuevo proceso de preparación de silicio negro, mediante el cual se prepara material de silicio negro dopado con Se óptico de alto atrapamiento mediante ablación con láser de femtosegundos de silicio de alta resistencia recubierto con película de Se en atmósfera de gas HF. Los resultados indican que la absortividad media de la banda de 400 a 2200 nm antes del recocido es del 96,81% y la absortividad se mantiene en el 81,28% después del recocido a 600 grados. Mientras tanto, el silicio negro preparado bajo la nueva tecnología se usa en un fotodetector doble de cuatro cuadrantes, los resultados muestran que la capacidad de respuesta promedio de la unidad es 0.528 A / W a 1060 nm y 0.102 A / W a 1180 nm con una polarización de 50 V, y la corriente oscura promedio es de 2 nA en los cuadrantes internos y de 8 nA en los cuadrantes externos. El fotodetector dual de cuatro cuadrantes basado en silicio negro mejorado en el infrarrojo cercano tiene las ventajas de alta capacidad de respuesta, baja corriente de oscuridad, respuesta rápida y baja diafonía, por lo que es apropiado para una serie de direcciones de aplicaciones, como detección de visión nocturna y aplicaciones médicas. campo.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos utilizados o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

Abreviaturas

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

NIR:

Infrarrojo cercano

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