Electrical characterisation of nano textured avalanche photodiodes

Thumbnail Image

Files

bachelor_Railo_Elli_2025.pdf (582.86 KB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Bachelor's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-12-12

Department

Major/Subject

Quantum Technology

Mcode

Degree programme

Aalto Bachelor's Programme in Science and Technology
Aalto Bachelor's Programme in Science and Technology
Aalto Bachelor's Programme in Science and Technology

Language

en

Pages

24

Series

Abstract

Photodiodes are semiconducting photodetector devices with a principle function of converting incident electromagnetic radiation, i.e. photons, into a detectable current output. The phenomena occurs as a result of the photoelectric effect. The structure of the components consists of layers differentiated by their doping profiles, in order to construct a p-n junction. An electric field is formed over the junction, to enable the separation of electron-hole pairs generated by the photoelectric effect. A specific type of photodiode under inspection in this BSc thesis is a silicon-based avalanche photodiode (APD). APDs are photodiodes that are able to provide high signal amplification or gain under reverse-bias voltages, due to their internal structure. Important parts of the components are an absorption layer and a depletion or avalanche layer. The gain of the component is achieved by the avalanche effect occurring in the depletion layer. The effect consists of a series of impact ionizations, caused by collisions between mobile electrons and atoms in the lattice structure of the component. Its strength is proportional to the energy of the electrons, thus the energy of the absorbed photons. Reflection of incident radiation at the surface reduces the efficiency of an avalanche photodiode. Currently, anti-reflective coatings are often used to minimize this loss. In this thesis a proposed alternative solution, an etched silicon surface nano texture, is investigated. The aim is to assess the functionality of this proposed alternative using current-voltage (IV) and external quantum efficiency (EQE) measurements in order to determine if the components under investigation display the properties of a functioning APD, and whether or not the light reflection is controlled and minimized. The two types of measurements are conducted to investigate parameters that characterize the performance of the APDs and provide insight on the gain and efficiency of the components. The parameters measured are the dark current, the photocurrent, the gain, the responsivity, and the quantum efficiency. Data processing and analysis revealed that the components were functional APDs and provided a gain to the photocurrent as a result of the avalanche effect. The calculated quantum efficiency at a zero bias reached photoconversion capabilities up to 97\%, which suggests that the developed solution to minimize the loss in efficiency due to reflection at the surface is successful.

Valodiodit ovat puolijohdekomponentteja, joiden toimintaperiaate perustuu valon eli fotonien muuntamiseen mitattavaksi virraksi. Muuntaminen tapahtuu valosähköisen ilmiön seurauksena. Komponenttien rakenne koostuu kerroksista, jotka on seostettu erilaisilla alkuaineilla, jotta saadaan aikaiseksi pn-liitos, jonka yli muodostuu sähkökenttä. Sähkökentän avulla voidaan erottaa valosähköisen ilmiön kautta syntynyt elektroni-aukkopari ja ohjata ne eri kontakteille, joista voidaan mitata haluttua virtaa. Virran suuruus on täten verrannollinen komponentille saapuvan valon intensiteettiin. Tässä työssä keskitytään piistä valmistettuun vyöryvaloodiodiin, jonka tarkoituksena on sisäisesti vahvistaa virtasignaalia. Vyöryvalodiodien sisäinen virranvahvistus saadaan aikaan kerrostetun rakenteen avulla. Komponentit koostuvat muun muassa absorptiokerroksesta sekä ehtymiskerroksesta. Sähköinen vyöryvahvistus tapahtuu ehtymiskerroksessa, jossa törmäysionisoinnin avulla saadaan aikaan virran vahvistuminen. Vahvistumisen suuruus riippuu elektronien eli toisaalta absorboituneiden fotonien energiasta. Vyöryvalodiodien suorituskykyä rajoittaa komponentin pinnalla tapahtuva heijastuminen. Tyypillisesti ongelman vaikutuksia minimoidaan ohutkalvoista koostuvan heijastuksenestopinnoitteen avulla. Tässä työssä tutkitaan vaihtoehtoista ratkaisumenetelmää; komponenttien pinnan nanoteksturointia. Työn tavoitteena on arvioida komponenttien toimivuutta vyöryvalodiodeina käyttämällä virta-jännite- (IV) sekä ulkoisen kvanttihyötysuhteen (EQE) mittauksia. Samalla tavoitteena on arvioida, miten uudenlainen pintarakenne vaikuttaa komponenttien tehokkuuteen. Kahdenlaisista mittauksista määritettiin vyöryvalodiodien kannalta keskeisiä parametreja, jotta niiden vahvistus- ja tehokkuusominaisuuksia voitaisiin ymmärtää. Mittauksista ja datankäsittelystä saadut parametrit olivat pimeävirta, valovirta, vahvistus, herkkyys sekä kvanttihyötysuhde. Laitteiden herkkyys mitataan EQE-mittauksilla ilman ulkoista jännitettä, pyrkimyksenä tutkia miten hyvin bheijastushäviöitä onnistutaan vähentää. IV-mittauksilla tulkitaan toimivatko komponentit edelleen vyöryvalodiodille odotetulla tavalla. Tulokset osoittavat, että komponenttien virtaa vahvistuu vyöryvahvistuksen seurauksena ja pimeävirta pysyy maltillisella tasolla mahdollistaen valovirran mittaamisen. Diodit saavuttavat jopa 97 % :n kvanttihyötysuhteen, joka viittaisi siihen, että pinnan nanotekstuuri menestyksekkäästi vähentää heijastushäviöitä.

Description

Supervisor

Raasakka, Matti

Thesis advisor

Vähänissi, Ville

Keywords

avalanche photodiode, avalanche effect, impact ionization, gain, external quantum efficiency, silicon

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202512309710

Collections

[kand] Perustieteiden korkeakoulu / SCI