High-sensitivity photodiodes using black silicon and induced junction

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2022-04-22
Date
2022
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
64 + app. 66
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 36/2022
Abstract
For decades, the core technologies behind silicon photodiodes have remained the same: anti-reflective coating is used to suppress reflections and the photogenerated charge carriers are collected using a pn-junction formed by doping silicon. Unfortunately, these technologies set fundamental limitations to the photodiode performance. AR coatings are effective only at a single wavelength and incidence angle, and dopants are associated with a dead layer where some carriers are lost due to recombination. This thesis introduces a new photodiode concept overcoming these limitations. Instead of AR coating, black silicon (b-Si), i.e., nanostructured silicon, is utilized to effectively suppress reflections at a wide range of wavelengths and incidence angles. The use of dopants is avoided by inducing the junction with negatively charged atomic layer deposited (ALD) aluminium oxide (Al2O3) film conformally covering the b-Si. The fabricated photodiodes exhibit close to ideal responsivity at wavelengths between 200 nm - 1100 nm, reaching >99% external quantum efficiency (EQE) at visible wavelengths and maintaining the performance up to an incidence angle of 60˚. At ultraviolet (UV), EQE even exceeds 100% due to effective harnessing of carrier multiplication. Thorough characterization measurements and simulations reveal that the exceptionally high EQE can be mainly explained by i) minimal reflections from b-Si, ii) efficient surface passivation by ALD Al2O3 and iii) lack of Auger recombination in the induced junction. High EQE is also seen at near-infrared (NIR) wavelengths. This is shown to result from scattering caused by b-Si which increases the effective optical path length up to 43% compared to a conventional photodiode. In addition to responsivity, dark current of the photodiode is also investigated. The dark current is seen to behave similarly than in conventional silicon photodiodes with respect to substrate resistivity and temperature. This indicates that the improved responsivity should translate directly into higher signal-to-noise ratio. Finally, the radiation hardness of the photodiodes against proton and electron irradiation is studied. The results suggest that induced junction photodiodes are more stable against ionizing electron irradiation than conventional pn-junction photodiodes. This is most likely due to Al2O3 used for induced junction having better tolerance against charging than silicon dioxide present in the conventional photodiodes. Other degradation effects caused by the irradiation are found to be independent on the photodiode surface and junction type suggesting that, in addition to better sensitivity, b-Si induced junction photodiodes can achieve better durability and longer operation lifetime in harsh conditions.

Jo vuosikymmeniä valodiodien rakenteen peruspilarit ovat pysyneet lähes muuttumattomina. Heijastukset on pyritty eliminoimaan heijastuksenestopinnoitteella ja varauksenkuljettajien keräämiseen tarvittava diodi on muodostettu seostamalla piihin pn-liitos. Tämä rakenne kuitenkinasettaa rajoituksia valodiodin herkkyydelle, sillä heijastuksenestopinnoitteet toimivat tehokkaasti vain yhdellä valon aallonpituudella ja tulokulmalla. Lisäksi seostetusta liitoksesta seuraa alue, jossa osa varauksenkuljettajista menetetään rekombinaation takia. Tämä väitöskirja esittelee uudentyyppisen valodiodikonseptin, joka ei kärsi näistä rajoitteista. Heijastuksenestopinnoitteen sijaan heijastusten eliminoimiseen hyödynnetään nanorakenteista piitä eli mustaa piitä. Lisäksi seostuksen sijaan, pn-liitos saadaan indusoitua pinnoittamalla musta pii atomikerroskasvatetulla (ALD) negatiivisesti varatulla alumiinioksidikalvolla (Al2O3). Tällä konseptilla valmistettujen valodiodien valovaste on lähes ideaalinen 200 nm – 1100 nm aallonpituuksilla ja se pysyy lähes muuttumattomana 60˚ tulokulmaan asti. Näkyvän valon aallonpituuksilla ulkoinen kvanttihyötysuhde (EQE) ylittää 99%. Ultraviolettiaallonpituuksilla (UV) EQE jopa ylittää 100%, mikä on seurausta varauksenkuljettajien monistumisprosessin tehokkaasta hyödyntämisestä. Tehdyt mittaukset ja simulaatiot osoittavat, että havaittu lähes ideaalinen valovaste johtuu kolmesta päätekijästä: i) mustasta piistä ei heijastu juuri yhtään valoa, ii) ALD Al2O3:lla pinta saadaan tehokkaasti passivoitua ja iii) indusoidulla liitoksella vältetään varauksenkuljettajien Auger-rekombinaatio. Lähi-infrapuna-aallonpituuksilla (NIR) mitattu EQE on myös poikkeuksellisen korkea, mikä on seurausta mustan piin aiheuttamasta valon sirottamisesta, joka pidentää valon piissä kulkemaa matkaa jopa 43% tyypillisiin valodiodeihin verrattuna. Valovasteen lisäksi tässä työssä tutkitaan myös valodiodien pimeävirtaa. Mittaukset osoittavat, että pimeävirta on samalla tasolla vastaavien tyypillisten valodiodien kanssa ja että virta käyttäytyy samalla tavalla substraatin resistiivisyyden ja lämpötilan funktiona, mistä paremman valovasteen takia pitäisi suoraan seurata myös parempi signaali-kohinasuhde. Lopuksi valodiodien kestävyyttä tutkitaan säteilyttämällä niitä elektroni- ja protonisuihkuilla. Kokeissa osoittautuu, että indusoitu liitos kestää paremmin elektroni-suihkua kuin tyypillinen seostettu liitos. Tämä ero johtunee siitä, että indusoidun liitoksen muodostamiseen käytetty Al2O3 ei varaudu elektronisuihkusta yhtä voimakkaasti kuin seostetun liitoksen pinnoitteena käytetty piidioksidi. Muuten liitoksen tai pinnoitteen tyypillä ei havaittu olevan vaikutusta säteilyn aiheuttamiin valodiodien ominaisuuksien muutoksiin. Indusoidulla liitoksella ja mustalla piillä voidaankin siis toteuttaa valodiodeja, jotka paremman valovasteen lisäksi myös kestävät paremmin vaativissa olosuhteissa. 
Description
Supervising professor
Savin, Hele, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
Thesis advisor
Juntunen, Mikko, Dr., ElFys Oy, Finland
Keywords
black silicon, nanostructure, induced junction, photodiode, atomic layer deposition, musta pii, nanorakenne, indusoitu liitos, valodiodi, atomikerroskasvatus
Other note
Parts
  • [Publication 1]: M. A. Juntunen, J. Heinonen, V. Vähänissi, P. Repo, D. Valluru, and H. Savin. Near-unity quantum efficiency of broadband black silicon photodiodes with an induced junction. Nature Photonics, 10, p. 777–781 (2016).
    DOI: 10.1038/nphoton.2016.226 View at publisher
  • [Publication 2]: J. Heinonen, T. P. Pasanen, V. Vähänissi, M. A. Juntunen, and H. Savin. Modeling field effect in black silicon and its impact on device performance. IEEE Transactions on Electron Devices, 67(4), p. 1645-1652 (2020).
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202003132512
    DOI: 10.1109/TED.2020.2975145 View at publisher
  • [Publication 3]: M. Garin, J. Heinonen, L. Werner, T. P. Pasanen, V. Vähänissi, A. Haarahiltunen, M. A. Juntunen, and H. Savin. Black-silicon ultraviolet photodiodes achieve external quantum efficiency above 130%. Physical Review Letters, 125(11), 117702 (2020).
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202009115335
    DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.117702 View at publisher
  • [Publication 4]: T. Tsang, A. Bolotnikov, A. Haarahiltunen, and J. Heinonen. Quantum efficiency of black silicon photodiodes at VUV wavelengths. Optics Express, 28(9), p. 13299-13309 (2020).
    DOI: https://doi.org/10.1364/OE.385448 View at publisher
  • [Publication 5]: J. Heinonen, A. Haarahiltunen, M. D. Serue, V. Vähänissi, T. P. Pasanen, H. Savin, L. Werner, and M. A. Juntunen. High-sensitivity NIR photodiodes using black silicon. Proceedings of SPIE Optical components and materials XVII, 11276, p. 60-66 (2020).
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202003132483
    DOI: 10.1117/12.2544756 View at publisher
  • [Publication 6]: J. Heinonen, C. Modanese, A. Haarahiltunen, H. Kettunen, M. Rossi, J. Jaatinen, and M. A. Juntunen. Results on radiation hardness of black silicon induced junction photodetectors from proton and electron radiation. Nuclear instruments and methods in physics research section A: accelerators, spectrometers, detectors and associated equipment, 977, 164294 (2020).
    DOI: https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.164294 View at publisher
Citation