Fotodetector dual de cuatro cuadrantes de alta eficiencia en infrarrojo cercano usando silicio negro a nanoescala

Resumen

En este artículo se propone un nuevo proceso de preparación de silicio negro a nanoescala, mediante el cual se prepara material de silicio negro dopado con Se de alta trampa óptica por ablación láser de pulsos de nanosegundo de silicio de alta resistencia recubierto con película de Se en atmósfera de gas HF. Los resultados indican que la absortividad promedio de la banda 400–2200 nm antes del recocido es 96,81 %, y la absortividad se mantiene en 81,28 % tras recocido a 600 °C. Mientras tanto, el silicio negro preparado bajo la nueva tecnología se usa en fotodetector dual de cuatro cuadrantes; los resultados muestran que, a sesgo inverso de 50 V, la responsividad unitaria promedio es 0,528 A/W a 1060 nm y 0,102 A/W a 1180 nm, y la corriente oscura promedio es 2 nA en cuadrantes internos y 8 nA en externos. El fotodetector dual de cuatro cuadrantes basado en silicio negro mejorado en infrarrojo cercano tiene ventajas de alta responsividad, baja corriente oscura, respuesta rápida y baja diafonía, por lo que es apropiado para aplicaciones como visión nocturna y campo médico.

Introducción

El fotodetector mejorado en infrarrojo cercano es difícil de obtener con rendimiento satisfactorio comparado con fotodetectores en otras longitudes de onda porque está limitado por rango de respuesta, tasa de respuesta, corriente oscura y diafonía en la banda de infrarrojo cercano. Sin embargo, desde que Carey desarrolló el primer detector de infrarrojo de silicio negro en 2005, el fotodetector de infrarrojo cercano basado en materiales de silicio negro comenzó a desarrollarse rápidamente. El rendimiento del silicio negro desarrollado por Carey supera ampliamente el del detector de infrarrojo de silicio monocristalino. Poco después, algunos investigadores añadieron tecnología de pasivación a detectores de silicio negro para reducir su corriente oscura. El silicio negro se convirtió en el material preferido para fotodetectores de silicio mejorados en infrarrojo cercano debido a su alta tasa de absorción y amplio espectro de absorción.

Como uno de los materiales más importantes en la industria de semiconductores, es crucial gestionar bien la calidad de procesamiento de materiales de silicio negro. La preparación de silicio negro con amplio espectro, alta absorción y bajo defecto es esencial para fotodetectores de infrarrojo cercano de alto rendimiento. Hay investigaciones sobre preparación de silicio negro usando láser de femtosegundo en atmósfera de SF₆, logrando absorción > 90 % en banda ultravioleta a infrarrojo cercano. Sin embargo, la absorción en región de infrarrojo cercano se reduce a ~50 % tras recocido a alta temperatura. Mientras tanto, investigadores hallaron que la absorción de silicio negro dopado con Se y Te se reduce significativamente por recocido comparado con silicio negro dopado con S, pero bajo el proceso de dopaje con membranas sólidas de Se y Te, el material de silicio negro se prepara en forma de colina, y la trampa de luz no es lo suficientemente buena.

En este artículo se propone un nuevo proceso de preparación de silicio negro a nanoescala, mediante el cual se prepara material de silicio negro dopado con Se de alta trampa óptica por ablación láser de pulsos de nanosegundo de silicio de alta resistencia recubierto con película de Se en atmósfera de gas HF. Los resultados indican que la absortividad promedio de 400–2200 nm antes del recocido es 96,81 %, y se mantiene en 81,28 % tras recocido a 600 °C. Mientras tanto, el silicio negro preparado bajo la nueva tecnología se usa en fotodetector dual de cuatro cuadrantes, mostrando responsividad unitaria promedio de 0,528 A/W a 1060 nm y 0,102 A/W a 1180 nm a sesgo de 50 V, y corriente oscura promedio de 2 nA en cuadrantes internos y 8 nA en externos. El fotodetector dual de cuatro cuadrantes basado en silicio negro mejorado en infrarrojo cercano tiene ventajas de alta responsividad, baja corriente oscura, respuesta rápida y baja diafonía, por lo que es apropiado para aplicaciones como visión nocturna y campo médico.

Método

El fotodetector se fabricó y probó mediante los siguientes procesos. Primero, se preparó el material de silicio negro: oblea de silicio tipo N de alta resistencia se cortó en muestra de 5 cm × 5 cm, y la muestra se limpió con procedimiento estándar y se secó con nitrógeno. Luego, polvo de Se con pureza 99,99 % se usó como fuente de evaporación, y se depositó una película de Se en la superficie de la muestra de Si por máquina de recubrimiento al vacío. Se introdujo gas HF en el proceso de grabado con láser de femtosegundo, con parámetros: velocidad de barrido: 1 mm/s; densidad de potencia láser: 4,5 kJ/m²; presión de gas HF: 9 × 10⁴ Pa. El láser de femtosegundo usado es el amplificador de femtosegundo Ti:zafiro producido por Spectra-Physics Corporation. Segundo, se preparó el fotodetector dual de cuatro cuadrantes usando material de silicio negro; la estructura esquemática y procesos de fabricación específicos se muestran en Figuras 1 y 2. Tercero, las morfologías de silicio negro se caracterizaron por microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (SEM), y las características espectrales del material se probaron con espectrómetro de fibra óptica NIR2500 y esfera integradora. Mientras tanto, se probaron corriente de respuesta, característica de corriente oscura, tiempo de subida del fotodetector. Durante la prueba, la fuente de luz es láser de banda Amonics, la corriente oscura se mide añadiendo una caja negra al detector para medir corriente bajo sesgo inverso, y el tiempo de respuesta se mide leyendo el cambio de fotocorriente a través de un osciloscopio al usar señal de pulso láser actuando sobre el detector.

Resultados y discusión

En este artículo, material de silicio negro dopado con Se de alta trampa óptica se prepara por ablación láser de pulsos de nanosegundo de silicio de alta resistencia recubierto con película de Se en atmósfera de gas HF. Por un lado, el efecto del recocido en silicio negro se reduce porque el recubrimiento de Se está supersaturado en lugar de usar silicio dopado con S tradicional. La tasa de difusión de átomos de S fuera de la red de Si es más rápida que la de Se; por tanto, el efecto del recocido es pobre. Por otro lado, HF se descompone en H⁺ y F⁻ a alta temperatura, y el ion F interactúa con material de silicio ablacionado por láser de femtosegundo a alta temperatura para producir SiF₄ volátil; así, la superficie del material se graba continuamente, formando una estructura de pirámide a nanoescala, que reduce eficazmente la reflectividad del silicio negro. La pasivación superficial optimiza la vida de portadores minoritarios, reduce la densidad de defectos del material de silicio negro y la recombinación innecesaria de portadores generados por luz. El grabado con láser de femtosegundo es simple y reproducible, logrando buena uniformidad del array de silicio negro, mientras que el ancho de banda prohibido del silicio negro puede reducirse grandemente. Al estudiar más la influencia de atmósfera de gas, potencia láser y velocidad de barrido en las propiedades del material, se puede obtener el flujo de proceso optimizado. El silicio negro tiene mejora significativa en absorción tras recocido preparado por el nuevo proceso.

El fotodetector dual de cuatro cuadrantes se fabrica usando material de silicio negro bajo el nuevo proceso; la estructura esquemática propuesta se ilustra en Fig. 1. El fotodetector propuesto está compuesto por capa fotosensible, ranura de aislamiento y capa de silicio negro. El diámetro externo de la superficie fotosensible es 8 mm, el interno 2 mm, y las áreas fotosensibles están separadas por ranuras de aislamiento. El fotodetector propuesto puede determinar el tamaño y orientación del desplazamiento del objetivo respecto al eje óptico según diferentes resultados de detección de cuadrantes, logrando posicionamiento preciso.

La corriente de respuesta, característica de corriente oscura, tiempo de subida y característica de diafonía del fotodetector se simulan con software comercial COMSOL Multiphysics 5.4a para diseñar la estructura óptima. La corriente de respuesta, característica de corriente oscura y tiempo de respuesta se obtienen por Ecs. 1–3. Se ve que la corriente de respuesta, corriente oscura y tiempo de respuesta están estrechamente relacionados con el grosor de la capa I y voltaje de sesgo cuando el área, potencia incidente y parámetros de material están determinados; por tanto, estos parámetros se simulan principalmente.

I_p = qP(1−R)/hv · [1 − e^−αW/(1 + α√(Dτ))] + qP D/√(Dτ) (1)

I_D = √(Aqn W/2τ) + (2m/E_g)^½ (q³ E v/4π²ħ²) A e^{(−4/3qEħ √(2mE_g3))} (2)

T = √[(2,2 t_RC)² + t_d² + τ_d²] (3)

Donde P es potencia incidente, R reflectancia, α coeficiente de absorción, W grosor de capa I, D coeficiente de difusión de huecos, τ vida de portador. E ∝ voltaje de sesgo, t_RC constante de tiempo de circuito determinada por resistencia y capacitancia equivalentes. t_d tiempo de difusión, τ_d tiempo de tránsito.

Las influencias del voltaje de sesgo inverso en los parámetros anteriores se ilustran en Fig. 3; se ve que al aumentar el voltaje de sesgo, la corriente de respuesta y la corriente oscura aumentan también; sin embargo, el tiempo de subida disminuye. Por tanto, es necesario balancear la contradicción entre corriente de respuesta, tiempo de subida y corriente oscura al aumentar el sesgo y elegir el sesgo apropiado según la demanda. De igual modo, el grosor de la capa I de la estructura PIN, que determina en gran medida el grosor del fotodetector, también se simula y los resultados se muestran en Fig. 4. La Fig. 5 da la influencia del ancho de ranura de aislamiento en el fotodetector; se ve que al aumentar el ancho a 100 µm, la tasa de diafonía se estabiliza. Según resultados de simulación, se obtienen la corriente de respuesta, corriente oscura y tiempo de subida óptimos; los parámetros específicos del dispositivo se muestran en Tabla 1.

Para lograr alta respuesta, velocidad de respuesta rápida y alta estabilidad del fotodetector, algunos procesos de fabricación también se han optimizado. Primero, se diseñan ranura de aislamiento y anillo de bloqueo para reducir diafonía entre áreas fotosensibles adyacentes. Segundo, procesos de adelgazamiento y pulido de oblea se usan para reducir grosor de capa de agotamiento y mejorar velocidad de respuesta del dispositivo. Tercero, la preparación de silicio negro por ablación láser de femtosegundo en un solo paso es crucial para lograr buena repetibilidad y estabilidad de materiales de silicio negro. Cuarto, el tratamiento de pasivación subsuperficial de la capa de silicio negro se usa para reducir y regular la densidad de estados de defecto superficial y reducir la recombinación de portadores fotogénicos para lograr alta responsividad. El proceso de fabricación específico se muestra en Fig. 2. El diagrama final del dispositivo se muestra en Fig. 2j, donde el grosor de capa I es 180 µm y el de capa P N es 10 µm, P⁺ formado por dopaje pesado de B en silicio tipo P, N⁺ por difusión de P, y el electrodo de contacto depositado por evaporación térmica.

La Figura 6 muestra los cambios en morfología superficial y propiedades fotoeléctricas de silicio negro dopado con Se de alta sensibilidad tras recocido a alta temperatura; parámetros: velocidad de barrido: 1 mm/s; densidad de potencia láser: 4,5 kJ/m²; presión de gas HF: 9 × 10⁴ Pa. Se ve que la morfología superficial antes y después del recocido a alta temperatura está más uniformemente distribuida en array de silicio negro cónico a nanoescala sin cambio obvio. En cuanto al espectro de absorción, la tasa de absorción promedio tras recocido de silicio negro hecho bajo el nuevo proceso alcanzó 83,12 %, mejorando significativamente comparado con ~50 % tras recocido de silicio negro dopado con S. Además, se probó el efecto de la velocidad de barrido de pulso láser de femtosegundo en el rendimiento del material, resultados en Fig. 7. Se ve que al disminuir la velocidad, la cantidad de dopaje de Se aumenta continuamente, lo que conduce a forma de cono de silicio negro más evidente y mayor tasa de absorción.

Según teoría de mapeo de Tauc, el ancho de banda del material puede obtenerse por transformación de su espectro de absorción:

F(R∞) ≈ A²/2R (4)

(hν α)^1/n = K(hν − Eg) (5)

hν = 1239,7/λ (6)

(hν F(R∞))^½ = K(hν − Eg) (7)

Donde A es absorción espectral, R reflectancia. El punto de inflexión (punto máximo de la primera derivada) se obtiene calculando la primera derivada de la curva hv−(hvF(R∞))^½, y se traza la tangente en este punto. El valor de la abscisa de la intersección de la tangente y el eje X es el ancho de banda de la muestra. Los resultados de ancho de banda equivalente de materiales de silicio negro a diferentes velocidades de barrido se muestran en Tabla 2; al disminuir la velocidad de barrido y aumentar la concentración de dopaje de Se, el ancho de banda disminuye comparado con 1,12 eV del silicio tradicional, y la banda espectral aumenta.

La unión PIN del fotodetector dual de cuatro cuadrantes se simula a diferentes anchos de banda de materiales. Los resultados de simulación se ilustran en Fig. 8; muestran que al disminuir el ancho de banda, el pico de absorción de fotocorriente se desplaza hacia la banda de infrarrojo cercano. Por tanto, considerando resultados de simulación, rendimiento óptico y eléctrico del fotodetector, se puede seleccionar la velocidad de barrido óptima.

El mismo proceso de simulación se usa para determinar parámetros óptimos de preparación de material bajo diferentes condiciones experimentales, como densidad de potencia óptica y presión de aire HF, mostrados en Fig. 9 y 10.

Los parámetros de mecanizado específicos son: velocidad de barrido: 1 mm/s; densidad de potencia láser: 4,5 kJ/m²; presión de gas HF: 9 × 10⁴ Pa. Bajo estos parámetros, el material de silicio negro se preparó por la nueva tecnología, y se fabricó el fotodetector dual de cuatro cuadrantes. La imagen física del fotodetector y resultados de prueba se muestran en Fig. 11, Tablas 3 y 4; los resultados de responsividad se midieron con capa de 2 mW. Los resultados muestran que la responsividad unitaria promedio es 0,528 A/W a 1060 nm y 0,102 A/W a 1180 nm a sesgo inverso de 50 V, la banda de respuesta va de 400 a 1200 nm, básicamente igual a simulación. La tasa de absorción espectral promedio es > 90 %, y la corriente oscura promedio < 8 nA; la corriente oscura se midió añadiendo caja negra al detector para medir corriente bajo sesgo inverso; los resultados de corriente oscura son ligeramente mayores que 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 midió leyendo el cambio de fotocorriente a través de osciloscopio al usar señal de pulso láser actuando sobre el detector, y el tiempo de subida promedio es < 12 ns, conforme a resultados de simulación esperados. Por tanto, el fotodetector fabricado no solo logra posicionamiento preciso de cuatro cuadrantes, sino que también asegura banda de detección ancha, baja corriente oscura y respuesta rápida.

Conclusiones

En este artículo se propone un nuevo proceso de preparación de silicio negro, mediante el cual se prepara material de silicio negro dopado con Se de alta trampa óptica por ablación láser de femtosegundo de silicio de alta resistencia recubierto con película de Se en atmósfera de gas HF. Los resultados indican que la absortividad promedio de 400–2200 nm antes del recocido es 96,81 %, y se mantiene en 81,28 % tras recocido a 600 °C. Mientras tanto, el silicio negro preparado bajo la nueva tecnología se usa en fotodetector dual de cuatro cuadrantes, mostrando responsividad unitaria promedio de 0,528 A/W a 1060 nm y 0,102 A/W a 1180 nm a sesgo de 50 V, y corriente oscura promedio de 2 nA en cuadrantes internos y 8 nA en externos. El fotodetector dual de cuatro cuadrantes basado en silicio negro mejorado en infrarrojo cercano tiene ventajas de alta responsividad, baja corriente oscura, respuesta rápida y baja diafonía, por lo que es apropiado para aplicaciones como visión nocturna y campo médico.