采用基于硝酸/氢氟酸/磷酸/硫酸混合液的湿法腐蚀工艺, 实现了高吸收效率的黑硅结构的制备与工艺集成, 获得了具有近红外响应增强效果的黑硅PIN光电探测器, 并与未集成黑硅的PIN光电探测器的性能参数进行了对比测试。测试结果显示, 黑硅光电探测器在1060nm波长下的响应度达到0.69A/W(量子效率80.7%), 较未集成黑硅的器件提高了116%; 黑硅探测器暗电流小于8nA, 响应时间小于8ns, 电容小于9pF, 与未集成黑硅的器件相当。得益于工艺兼容性, 所采用的黑硅技术具有广泛应用于硅基近红外PIN, APD, SPAD, SPM等光电探测器的潜力, 可显著提高器件的响应率、量子效率、响应速度、击穿电压温度系数等性能。
黑硅 近红外响应增强 光电探测器 湿法腐蚀 暗电流抑制 black silicon near infrared enhancement photodetector wet etching dark current suppression
1 电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川 成都 610054
2 中国电子科技集团第四十四研究所，重庆 400060
3 中国电子科技集团第二十四研究所，重庆 400060
本文报道了一种基于黑硅微结构的全硅PIN光电探测器。该器件结合了黑硅结构宽光谱高吸收的特性，以及PIN光电探测器高量子效率高响应速度的特点，通过在传统硅PIN光电探测器结构的基础上增加黑硅微结构层，在不影响响应速度的条件下，提高了探测器在近红外波段响应特性。并且针对纵向结构垂直入射PIN光电探测器时量子效率与响应速度相矛盾的问题，提出了解决方案。测试结果表明，该器件的量子效率可达80%，峰值波长为940 nm，光响应度达到0.55 A/W，暗电流降至700 pA，响应时间为200 ns。
全硅PIN光电探测器 黑硅 量子效率 光响应度 响应速度 暗电流 all-silicon PIN photodetector black silicon quantum efficiency light responsivity responding speed dark current
1 电子科技大学电子薄膜与集成器件重点实验室, 四川 成都 610054
2 中国电子科技集团公司第二十四研究所, 重庆 400060
3 中国电子科技集团公司第四十四研究所, 重庆 400060
目前与互补金属氧化物半导体工艺兼容且具有高发光效率的硅基光源的制作技术尚不成熟,针对这一问题,研究了一种新型多晶硅发光器件。首先研究了该结构在反偏电压下可能存在的各种雪崩模式(带间跃迁、轫致辐射、空穴在轻和重质量带之间的带内跃迁、高场条件下的电离和间接带间重组),对不同雪崩模式下的发光机理进行了理论分析;然后研究了器件内部的空穴和电子在反偏电压下的漂移及扩散情况,指出载流子注入增加了参与雪崩倍增过程的载流子数量,进而使碰撞电离率提高;最后对器件的电场、光谱、电流与光强等数据进行分析,对量子效率和光电转换效率进行计算,验证了所研究结构通过载流子注入实现了碰撞电离率的提高,进而实现了发光效率的提高,其中量子效率为5.9×10 -5,光电转换效率为4.3×10 -6。
激光光学 集成电路工艺 全硅光学生物传感器 发光效率 碰撞电离率 载流子注入
