근적외선 강화 나노미터 블랙 실리콘 기반 이중 4사분면 광검출기

초록

이 논문에서는 HF 가스 분위기에서 Se막으로 코팅된 고저항 실리콘을 나노초 펄스 레이저 삭마에 의해 높은 트래핑 광학 Se가 도핑된 블랙 실리콘 재료를 제조하는 나노미터 블랙 실리콘의 새로운 준비 공정을 제안합니다. 결과는 어닐링 전 400-2200nm 대역의 평균 흡수율이 96.81%이고 600도에서 어닐링 후 81.28%를 유지함을 나타냅니다. 한편, 신기술로 제조된 블랙 실리콘은 이중 4사분면 광검출기에 사용되며, 그 결과 역 바이어스 50V에서 평균 단위 응답성은 1060nm에서 0.528A/W, 1180nm에서 0.102A/W인 것으로 나타났습니다. nm이고 평균 암전류는 내부 사분면에서 2nA, 외부 사분면에서 8nA입니다. 근적외선 강화 블랙 실리콘을 기반으로 하는 이중 4사분면 광검출기는 높은 응답성, 낮은 암전류, 빠른 응답 및 낮은 누화의 장점을 가지고 있으므로 야간 투시 감지 및 의료와 같은 일련의 응용 분야에 적합합니다. 필드.

소개

근적외선 강화 광검출기[1,2,3]는 응답 범위, 응답 속도, 암전류 및 근적외선에서의 누화에 의해 제한되기 때문에 다른 파장의 광검출기[4,5,6]에 비해 만족스러운 성능을 얻기 어렵습니다. 적외선 대역. 그러나 Carey가 2005년 최초로 블랙실리콘 적외선 검출기를 개발한 이후로 블랙실리콘 소재를 기반으로 한 근적외선 광검출기가 급속히 발전하기 시작했다. Carey가 개발한 블랙실리콘의 성능은 단결정 실리콘 적외선 검출기의 성능을 훨씬 능가합니다. 오래지 않아 일부 연구자들은 흑색 실리콘 검출기에 패시베이션 기술을 추가하여 암전류를 줄였습니다. 블랙 실리콘[7,8,9]은 높은 흡수율과 넓은 흡수 스펙트럼으로 인해 실리콘 기반 근적외선 강화 광검출기에 선호되는 재료가 되었습니다.

반도체 산업에서 가장 중요한 재료 중 하나인 블랙 실리콘 재료의 공정 품질을 잘 관리하는 것이 중요합니다[10,11,12,13,14]. 고성능 근적외선 광검출기를 위해서는 스펙트럼이 넓고 흡수율이 높으며 결함이 적은 흑색 실리콘을 준비하는 것이 필수적입니다. 펨토초 레이저[15, 16]를 SF6 분위기에서 스캐닝하여[15, 16] 블랙 실리콘 재료를 제조하는 방법에 대한 연구가 있으며[17, 18], 자외선에서 근적외선 대역의 블랙 실리콘 재료는 90% 이상의 흡수를 달성할 수 있다[17, 18]. 19]. 그러나 근적외선 영역의 흡수는 고온 어닐링 후에 약 50%로 감소합니다. 한편, 연구자들은 Se와 Te가 도핑된 블랙실리콘의 흡수가 S가 도핑된 블랙실리콘에 비해 어닐링에 의해 현저히 감소하지만, 고체 Se와 Te 막의 도핑과정에서 블랙실리콘 물질이 다음과 같은 형태로 준비된다는 것을 발견했다 언덕이 많고 빛 트래핑이 충분하지 않습니다[20, 21].

이 논문에서는 HF 가스 분위기에서 Se막으로 코팅된 고저항 실리콘을 나노초 펄스 레이저 삭마에 의해 높은 트래핑 광학 Se가 도핑된 블랙 실리콘 재료를 제조하는 나노미터 블랙 실리콘의 새로운 준비 공정을 제안합니다. 결과는 어닐링 전 400-2200nm 대역의 평균 흡수율이 96.81%이고 600도에서 어닐링 후 81.28%를 유지함을 나타냅니다. 한편, 신기술로 제조된 블랙실리콘은 이중 4사분면 광검출기에 사용되며, 그 결과 평균 단위 응답성은 1060nm에서 0.528A/W, 바이어스 50V에서 1180nm에서 0.102A/W이며, 평균 암전류는 내부 사분면에서 2nA, 외부 사분면에서 8nA입니다. 근적외선 강화 블랙 실리콘을 기반으로 하는 이중 4사분면 광검출기는 높은 응답성, 낮은 암전류, 빠른 응답 및 낮은 누화의 장점을 가지고 있으므로 야간 투시 감지 및 의료와 같은 일련의 응용 분야에 적합합니다. 필드.

<섹션 데이터-제목="방법">

메소드

광검출기는 다음과 같은 과정을 거쳐 제작 및 시험되었다. 먼저 흑색 실리콘 재료를 준비하고, N형 고저항 실리콘 웨이퍼를 5cm× 5cm 샘플로 절단하고, 샘플을 표준 세척 절차로 세척하고 질소 분위기에서 블로우 건조시켰다. 그 다음, 순도 99.99%의 Se 분말을 증발원으로 사용하고 진공 코팅기를 이용하여 Si 시료의 표면에 Se 박막을 증착하였다. 펨토초 레이저 에칭 공정에서 HF 가스가 도입되었으며 처리 매개변수는 다음과 같습니다. 스캔 속도:1mm/s; 레이저 출력 밀도:4.5kJ/m² ; HF 가스 압력:9 × 10⁴ Pa. 본 논문에 사용된 펨토초 레이저는 Spectra-Physics Corporation에서 제작한 Ti:sapphire 펨토초 레이저 증폭기이다. 둘째, 이중 4사분면 광검출기는 검은색 실리콘 재료를 사용하여 제조되었으며 이중 4사분면 광검출기의 개략적인 구조와 구체적인 제조 공정은 그림 2에 나와 있습니다. 1과 2. 마지막으로 블랙실리콘의 형태는 전계방출 주사전자현미경(SEM)으로 특성화하였고, 물질의 분광특성은 NIR2500 광섬유 분광기와 적분구로 시험하였다. 한편, 응답전류, 암전류 특성, 광검출기의 상승시간을 시험하였다. 테스트 중 광원은 Amonics 대역의 레이저이고, 역바이어스 하에서 전류를 측정하기 위해 검출기에 블랙박스를 추가하여 암전류를 측정하고, 이를 통해 광전류의 변화를 읽어 응답시간을 측정한다. 검출기에 작용하는 레이저 펄스 신호를 사용할 때 오실로스코프.

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이중 4사분면 광검출기의 도식적 구조

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광검출기의 특정 제조 공정

결과 및 토론

이 논문에서는 HF 가스 분위기에서 Se 막으로 코팅된 고저항 실리콘을 나노초 펄스 레이저 삭마에 의해 높은 트래핑 광학 Se 도핑된 블랙 실리콘 재료를 준비합니다. 한편으로, Se 코팅이 전통적인 S-도핑된 실리콘을 사용하는 대신 과포화되기 때문에 블랙 실리콘에 대한 어닐링의 효과는 감소됩니다. Si 격자 밖으로 S 원자의 확산 속도는 Se보다 빠릅니다. 따라서 어닐링 효과가 좋지 않습니다. 반면에, HF는 고온에서 H+와 F-로 분해되고, F 이온은 고온에서 펨토초 레이저로 제거된 실리콘 재료와 상호 작용하여 휘발성 SiF4를 생성합니다. 이러한 방식으로 재료의 표면이 연속적으로 에칭되어 나노 규모의 피라미드 구조를 형성하고 레이저 에칭으로 생성된 나노 규모의 피라미드는 블랙 실리콘의 반사율을 효과적으로 감소시킵니다. 한편, 표면 패시베이션은 소수 캐리어의 수명을 최적화하고 블랙 실리콘 재료의 결함 밀도와 불필요한 캐리어 재결합을 줄입니다. 펨토초 레이저 에칭은 블랙 실리콘 어레이의 균일성이 양호하고 블랙 실리콘 밴드갭 폭을 크게 줄일 수 있는 간단하고 재현 가능합니다. 가스 분위기, 레이저 출력 및 레이저 스캐닝 속도가 블랙 실리콘 재료의 특성에 미치는 영향을 추가로 연구하여 최적화된 공정 흐름을 얻을 수 있습니다. 블랙실리콘은 새로운 공정으로 준비된 어닐링 후 흡수율이 크게 향상되었습니다.

이중 4사분면 광검출기는 새로운 공정에서 검은색 실리콘 재료를 사용하여 제조됩니다. 본 논문에서 제안한 개략적인 구조는 Fig. 1에 나타내었다. 제안된 광검출기는 감광층, 분리홈, 흑색실리콘층으로 구성되어 있다. 감광성 표면의 외경은 8mm이고 내경은 2mm이며 감광 영역은 격리 슬롯에 의해 서로 분리됩니다. 제안된 광검출기는 다양한 사분면 감지 결과에 따라 광축에 대한 대상의 오프셋 크기와 방향을 결정할 수 있으므로 정확한 위치를 얻을 수 있습니다.

최적의 구조를 설계하기 위해 상용 소프트웨어 COMSOL Multiphysics® 5.4a에서 광검출기의 응답 전류, 암전류 특성, 상승 시간 및 누화 특성을 시뮬레이션합니다. 응답전류, 암전류특성, 광검출기의 상승시간은 식으로 구할 수 있다. 1-3. 면적, 입사 전력 및 재료 매개변수가 결정될 때 응답 전류, 암전류 및 응답 시간은 층 I의 두께 및 바이어스 전압과 밀접한 관련이 있음을 알 수 있습니다. 따라서 이러한 매개변수는 주로 시뮬레이션됩니다.

$${\text{I}}_{{\text{p}}} =\frac{{qP\left( {1 - R} \right)}}{hv} \cdot \left( {1 - \ frac{{e^{ - \alpha W} }}{{1 + \alpha \sqrt {D\tau } }}} \right) + qP\frac{D}{{\sqrt {D\tau } }} $$ (1) $${\text{I}}_{D} =\sqrt {Aqn\frac{W}{2\tau }} + \left( {\frac{2m}{{E_{g} }}} \right)^{\frac{1}{2}} \left( {q^{3} E\frac{v}{{4\pi^{2} \hbar^{2} }}} \right)Ae^{{\left( { - \frac{4}{3qE\hbar }\sqrt {2mE_{g}^{3} } } \right)}}$$ (2) $$T =\ sqrt {\left( {2.2t_{RC} } \right)^{2} + t_{d}^{2} + \tau_{d}^{2} }$$ (3)

여기서 P는 입사 전력, R은 반사율, α는 흡수 계수, W는 층 I의 두께, D는 정공 확산 계수, τ는 캐리어 수명입니다. E $\propto$ 바이어스 전압, t_RC 주로 등가 저항과 커패시턴스에 의해 결정되는 회로 시정수를 나타냅니다. t_d 는 확산 시간이고 τ_d 이동 시간입니다.

위의 매개 변수에 대한 역 바이어스 전압의 영향은 그림 3에 나와 있으며 바이어스 전압이 증가함에 따라 응답 전류와 암전류도 증가함을 알 수 있습니다. 그러나 상승 시간은 감소합니다. 따라서 바이어스가 증가함에 따라 응답 전류, 상승 시간 및 암전류 간의 모순을 균형있게 조정하고 수요에 따라 적절한 바이어스를 선택하는 것이 필요합니다. 같은 방법으로 광검출기의 두께를 결정짓는 PIN 구조의 Layer I의 두께도 시뮬레이션하여 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 한편, Fig 5는 Isolation Slot 너비가 광검출기에 미치는 영향을 보여주고 있다. , Isolation Slot 폭을 100μm로 늘렸을 때 Crosstalk rate가 기본적으로 안정적임을 알 수 있다. 시뮬레이션 결과에 따르면 최적의 응답 전류, 암전류 및 상승 시간이 얻어지며 특정 장치 매개변수는 표 1에 나와 있습니다.

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서로 다른 역 바이어스 전압에서 광검출기의 응답 전류, 암전류 특성 및 상승 시간 변화 곡선

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층 I의 두께에 따른 광검출기의 응답 전류, 암전류 특성 및 상승 시간 변화 곡선

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누화율에 대한 절연 슬롯 너비의 영향

광검출기의 높은 응답, 빠른 응답 속도 및 높은 안정성을 달성하기 위해 일부 제조 공정도 최적화되었습니다[22,23,24]. 첫째, 격리 홈과 차단 링은 인접한 감광 영역 사이의 혼선을 줄이기 위해 설계되었습니다. 둘째, 웨이퍼 박막화 및 연마 공정을 사용하여 공핍층 두께를 줄여 장치 응답 속도를 개선합니다. 셋째, 1단계 펨토초 레이저 절제에 의한 블랙 실리콘의 준비는 블랙 실리콘 재료의 우수한 반복성과 안정성을 달성하는 데 중요합니다. 마지막으로, 흑색 실리콘 층의 표면 아래 패시베이션 처리는 표면 결함 상태의 밀도를 감소 및 조절하고 포토제닉 캐리어의 사중 화합물을 감소시켜 광검출기의 높은 응답성을 달성하는 데 사용됩니다. 광검출기의 구체적인 제조 공정은 그림 2에 나와 있습니다. 최종 장치 다이어그램은 그림 2j에 나와 있으며, 여기서 레이어 I의 두께는 180μm이고 레이어 PN의 두께는 10μm, P⁺ P형 실리콘, N⁺ 에 B를 과도하게 도핑하여 형성 P의 확산에 의해 형성되고 접촉 전극은 열증착에 의해 증착된다.

그림 6은 고온 어닐링 후 고노치 감광성 Se 도핑된 블랙 실리콘의 표면 형태 및 광전 특성의 변화를 보여줍니다. 구체적인 가공 매개변수는 다음과 같습니다. 스캔 속도:1mm/s; 레이저 출력 밀도:4.5kJ/m² ; HF 가스 압력:9 × 10⁴ Pa. 고온 어닐링 전후의 표면 형태가 명백한 변화 없이 나노스케일 테이퍼드 블랙 실리콘 어레이에 보다 균일하게 분포되어 있음을 그림에서 알 수 있다. 흡수스펙트럼 측면에서 본 논문에서 신규공정으로 제작된 블랙실리콘의 열처리 후 평균흡수율은 83.12%에 도달하였으며, S-도핑된 블랙실리콘의 열처리 후 약 50%의 흡수율에 비해 내화성능이 크게 향상되었다. . 또한, 펨토초 레이저 펄스 주사 속도가 흑색 실리콘 재료의 성능에 미치는 영향을 실험하였으며, 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 속도가 감소함에 따라 Se 원소의 도핑량이 지속적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 검은색 실리콘 팁 콘의 모양이 더욱 뚜렷해지고 흡수율이 높아집니다.

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고온 소둔 후 재료의 표면 형태 및 광전 특성 변화

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다양한 스캔 속도에서 재료의 표면 형태 및 흡수 스펙트럼 a 10mm/s, b 5mm/s, c 2mm/s, d 1mm/s

Tauc 매핑 이론에 따르면 물질의 밴드갭은 흡수 스펙트럼의 변환을 통해 얻을 수 있습니다[25].

$${\text{F}}\left( {{\text{R}}\infty } \right) \approx \frac{{{\text{A}}^{{2}} }}{{{ \text{2R}}}}$$ (4) $$\left( {{\text{h}}\nu \alpha } \right)^{{\frac{{1}}{{\text{n }}}}} ={\text{K}}\left( {{\text{h}}\nu - {\text{예}}} \right)$$ (5) $${\text{h }}\nu =\frac{{{1239}{\text{.7}}}}{\lambda }$$ (6) $$\left( {{\text{h}}\nu {\text{ F}}\left( {{\text{R}}\infty } \right)} \right)^{{\frac{{1}}{{2}}}} ={\text{K}}\ 왼쪽( {{\text{h}}\nu - {\text{예}}} \right)$$ (7)

여기서 A는 분광 흡수를 나타내고 R은 반사율을 나타냅니다. 변곡점(1차 미분의 최대점)은 hv-(hvF(R∞))^1/2 의 1차 미분을 계산하여 구합니다. 곡선이고 이 지점에서 곡선의 접선이 만들어집니다. 접선과 X축의 교차점의 가로 좌표 값은 샘플의 밴드 갭입니다. 다양한 스캔 속도에서 검은색 실리콘 재료의 등가 밴드갭 폭 결과는 표 2에 나와 있으며, 스캔 속도가 감소하고 Se 도핑 농도가 증가함에 따라 밴드갭 폭은 기존 실리콘 재료의 1.12eV와 비교하여 감소하고 있습니다. 스펙트럼 대역이 증가하고 있습니다.

이중 4사분면 광검출기의 PIN 접합은 재료의 다른 밴드갭에서 시뮬레이션됩니다. 시뮬레이션 결과는 그림 8에 나와 있습니다. 결과는 밴드갭 폭이 감소함에 따라 광전류 흡수 피크가 근적외선 대역으로 이동함을 보여줍니다. 따라서 시뮬레이션 결과, 광검출기의 광학 및 전기적 성능을 고려하여 최적의 스캔 속도를 선택할 수 있습니다.

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밴드갭에 따른 블랙실리콘의 반응성

동일한 시뮬레이션 프로세스를 사용하여 광학 출력 밀도 및 HF 공기 압력과 같은 다양한 실험 조건에서 최적의 재료 준비 매개변수를 결정합니다. 9와 10.

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다양한 HF 기압에서 재료의 표면 형태 및 흡수 스펙트럼 a 1 × 10⁴ 아빠, b 3.5 × 10⁴ 아빠, c 6 × 10⁴ 아빠, d 8.5 × 10⁴ 아빠

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다양한 광출력 밀도 a에서 재료의 표면 형태 및 흡수 스펙트럼 2.5kJ/m² , b 4.5kJ/m² , ㄷ 6.0kJ/m² , d 9.0kJ/m²

구체적인 가공 매개변수는 다음과 같습니다. 스캔 속도:1mm/s; 레이저 출력 밀도:4.5kJ/m² ; HF 가스 압력:9 × 10⁴ Pa, 위의 실험 매개 변수에서 새로운 기술로 검은 색 실리콘 재료를 준비하고 이중 4 사분면 광검출기를 만들었습니다. 광검출기의 물리적 사진과 시험 결과는 Fig. 11, Table 3, 4와 같으며, 응답성 결과는 2mW의 Layer로 측정하였다. 결과는 평균 단위 응답성이 1060nm에서 0.528A/W이고 역 바이어스 50V에서 1180nm에서 0.102A/W이며 응답 대역 범위는 400~1200nm이며 기본적으로 시뮬레이션과 동일합니다. 결과. 평균 분광 흡수율이 90% 이상이고, 평균 암전류가 8nA 미만이며, 역바이어스 하에서 전류를 측정하기 위해 검출기에 블랙박스를 추가하여 암전류를 측정하고, 암전류의 결과는 다음과 같다. 감광 영역에서 접합의 깊이 균일성이 실제 처리에서 이상적이지 않기 때문에 시뮬레이션 결과보다 약간 더 큽니다. 한편, 응답시간은 검출기에 작용하는 레이저 펄스 신호를 이용하여 오실로스코프를 통해 광전류의 변화를 읽어서 측정하였으며, 평균 상승시간은 12ns 이하로 예상한 시뮬레이션 결과와 일치하였다. 따라서 본 논문에서 제작된 광검출기는 4사분면의 정밀한 위치결정을 달성할 뿐만 아니라 넓은 감지 대역, 낮은 암전류 및 빠른 응답을 보장한다.

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a 이중 4사분면 광검출기의 물리적 사진. ㄴ 서로 다른 이중 4사분면 광검출기 샘플의 반응성

결론

이 논문에서는 HF 가스 분위기에서 Se막으로 코팅된 고저항 실리콘을 펨토초 레이저 ablation에 의해 높은 트래핑 광학 Se가 도핑된 블랙 실리콘 재료를 제조하는 블랙 실리콘의 새로운 준비 공정을 제안합니다. 결과는 어닐링 전 400-2200nm 대역의 평균 흡수율이 96.81%이고 600도에서 어닐링 후 81.28%를 유지함을 나타냅니다. 한편, 신기술로 제조된 블랙실리콘은 이중 4사분면 광검출기에 사용되며, 그 결과 평균 단위 응답성은 1060nm에서 0.528A/W, 바이어스 50V에서 1180nm에서 0.102A/W이며, 평균 암전류는 내부 사분면에서 2nA, 외부 사분면에서 8nA입니다. 근적외선 강화 블랙 실리콘을 기반으로 하는 이중 4사분면 광검출기는 높은 응답성, 낮은 암전류, 빠른 응답 및 낮은 누화의 장점을 가지므로 야간 투시 감지 및 의료와 같은 일련의 응용 분야에 적합합니다. 필드.

데이터 및 자료의 가용성

현재 연구 중에 사용되거나 분석된 데이터 세트는 합당한 요청이 있는 경우 교신저자에게 제공됩니다.

약어

SEM:: 주사전자현미경
NIR:: 근적외선

나노박스에 대한 마법의 수학 공식 3중 음성 유방암의 치료를 강화하기 위한 철 이온 공급을 위한 Artemisinin의 운반체로서의 Fe(II) 및 Tannic Acid-Cloaked MOF

나노물질