Enhanced photodiode performance via surface nanoengineering

Thumbnail Image

Files

isbn9789526427409.pdf (3.77 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2025-10-24
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

Department

Elektroniikan ja nanotekniikan laitos
Department of Electronics and Nanoengineering

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

79 + app. 52

Series

Aalto University publication series Doctoral Theses, 185/2025

Abstract

Modern silicon photodiodes suffer from non-ideal quantum efficiency, which means that they are not able to detect every individual photon that hits the detector surface. The inefficiency typically emerges from optical losses, but also electrical losses, i.e., charge carrier recombination, may sometimes have an impact. This dissertation studies the potential of employing recent surface nanoengineering developments to improve the quantum efficiency across a range of detection applications. More specifically, surface nanostructuring, or so-called black silicon (b-Si), can be utilized to eliminate the surface reflectance, whereas atomic layer deposited (ALD) thin films are known provide excellent surface passivation and enable induced-electric-field-based charge collection as an alternative to conventional externally doped junctions. In this thesis, we apply these methods to design, fabricate and characterize a collection of Si detectors that achieve near ideal quantum efficiencies in a variety of applications. First, we investigate the possibility to fabricate an efficient b-Si photodiode with an externally doped front junction. Such a device is realized utilizing optimized implanted junction and plasma-etched b-Si. Second, our aim is to make b-Si photodiodes with more scalable and cost-efficient b-Si fabrication method while retaining the efficient electrical performance. Metal-assisted chemical etched b-Si combined with an ALD Al2O3-induced electric-field-based charge collection is identified as a suitable surface design and integrated successfully into a Si photodiode. Third, the advantages of the surface nanoengineered surfaces are transferred to multi-pixel devices by employing a b-Si surface in an image sensor. Fourth, the induced-electric-field-based charge collection is recognized as an interesting option for eliminating the junction-originated dead layer in Si charged particle detectors. Such a device utilizing an ALD Al2O3-induced electric field is fabricated and characterized using alpha particle radiation. We find out that applying the novel surface designs to otherwise conventional Si detectors provides major improvements, especially in terms of quantum efficiency, in all fabricated detector types. The quantum efficiencies reach near 100% over a wide wavelength range (200–1000 nm), including even parts of the conventionally difficult UV region. Importantly, the proposed surface designs do not introduce major drawbacks in other significant detector parameters. The surface nanoengineering steps are also easy to integrate into conventional processing lines providing a simple route for their direct application to commercial devices.

Modernit piipohjaiset fotodiodit kärsivät epäideaalisesta kvanttihyötysuhteesta, jonka vuoksi ne eivät kykene havaitsemaan jokaista fotonia, joka osuu komponentin pintaan. Puutteellisen toiminnan syinä ovat pääosin optiset häviöt, joskin varauksenkuljettajien rekombinaatiosta johtuvat sähköiset häviöt voivat myös toisinaan vaikuttaa. Tässä väitöskirjassa tutkimme viime aikoina kehitettyjen nanoteknisten pintaratkaisujen kykyä parantaa erinäisten ilmaisimien suorituskykyä. Pinnan nanokuviointia eli niin sanottua mustaa piitä (b-Si) voi käyttää pintaheijastuksen poistamiseen, kun taas atomikerroskasvatetut (ALD) ohutkalvot mahdollistavat erinomaisen pintapassivoinnin sekä indusoituun sähkökenttään perustuvan varausten keräyksen vaihtoehtona perinteisille ulkoisesti seostetuille liitoksille. Tässä työssä suunnittelemme, valmistamme ja karakterisoimme kokoelman lähes ideaalisia pii-ilmaisimia käyttäen edellä mainittuja keinoja. Aluksi pyrimme valmistamaan tehokkaan b-Si-fotodiodin, jonka liitos on ulkoisesti seostettu. Tällainen komponentti toteutetaan yhdistämällä optimoitu implantoitu liitos plasmasyövytetyn mustan piin kanssa. Seuraavana tavoitteena on b-Si-fotodiodin valmistus käyttämällä skaalattavampia ja edullisempia mustan piin valmistusmenetelmiä. Tavoitteen saavuttamiseksi valmistamme fotodiodin käyttäen metallikatalysoitua syövyttämistä mustan piin valmistukseen ja ALD Al2O3:n indusoimaa sähkökenttää varausten keräämiseen. Tämän jälkeen valmistamme b-Sikuva-anturin, jotta voimme arvioida mustan piin suomia etuja monipikselisissä laitteissa. Indusoituun sähkökenttään perustuva varausten keräys todetaan lopuksi sopivaksi tavaksi eliminoida niin sanotut kuolleet kerrokset hiukkasilmaisimissa. Valmistamme hiukkasilmaisimen, jossa hyödynnetään ALD Al2O3:n indusoimaa sähkökenttää ja karakterisoimme sillä alfahiukkassäteilyä. Mittaukset osoittavat, että uudet pintaratkaisut parantavat jokaisen valmistetun ilmaisintyypin suorituskykyä, etenkin kvanttihyötysuhteen näkökulmasta. Hyötysuhteet saavuttavat lähes 100% laajalla aallonpituusalueella (200–1000 nm), joka sisältää jopa osan fotodiodeille perinteisesti haastavasta UV-alueesta. On tärkeää huomioida, että ehdotetut pintaratkaisut eivät aiheuta oleellisia heikkenemiä muissa ilmaisimien ominaisuuksia kuvaavissa parametreissä. Esitettyjen nanoteknisten pintaratkaisujen integroiminen tavanomaisiin tuotantolinjastoihin on myös helppoa, mikä mahdollistaa niiden yksinkertaisen hyödyntämisen kaupallisissa komponenteissa.

Description

Supervising professor

Savin, Hele, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland

Thesis advisor

Vähänissi, Ville, Dr., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland

Keywords

photodiode, black silicon, atomic layer deposition, quantum efficiency, fotodiodi, musta pii, atomikerroskasvatus, kvanttihyötysuhde

Other note

Parts

  • [Publication 1]: O. E. Setälä, T. P. Pasanen, J. Ott, V. Vähänissi, and H. Savin. Al‐neal Degrades Al2O3 Passivation of Silicon Surface. physica status solidi (a), 218(23), p. 2100214, December 2021.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2021120810651
    DOI: 10.1002/pssa.202100214 View at publisher
  • [Publication 2]: K. Chen, O. E. Setälä, B. Radfar, U. Kroth, V. Vähänissi, and H. Savin. Harnessing carrier multiplication in silicon solar cells using UV photons. IEEE Photonics Technology Letters, 33(24), p. 1415-1418, December 2021.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2021121510715
    DOI: 10.1109/LPT.2021.3124307 View at publisher
  • [Publication 3]: O. E. Setälä, K. Chen, T. P. Pasanen, X. Liu, B. Radfar, V. Vähänissi, and H. Savin. Boron-Implanted Black Silicon Photodiode with Close-to-Ideal Responsivity from 200 to 1000 nm. ACS photonics, 10(6), p. 1735-1741, May 2023.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202308014561
    DOI: 10.1021/acsphotonics.2c01984 View at publisher
  • [Publication 4]: K. Chen, O. E. Setälä, X. Liu, B. Radfar, T. P. Pasanen, M. D. Serué, J. Heinonen, H. Savin, and V. Vähänissi. Excellent Responsivity and Low Dark Current Obtained with Metal-Assisted Chemical Etched Si Photodiode. IEEE Sensors Journal, 23(7), p. 6750-6756, February 2023.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202304262843
    DOI: 10.1109/JSEN.2023.3246505 View at publisher
  • [Publication 5]: O. E. Setälä, M. J. Prest, K. D. Stefanov, D. Jordan, M. R. Soman, V. Vähänissi, and H. Savin. CMOS Image Sensor for Broad Spectral Range with > 90% Quantum Efficiency. Small, 19(47), p. 2304001, July 2023.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202401041096
    DOI: 10.1002/smll.202304001 View at publisher
  • [Publication 6]: O. E. Setälä, T. P. Pasanen, J. Ott, I. Krainukovs, J. Heinonen, V. Vähänissi, and H. Savin. Elimination of Dead Layer in Silicon Particle Detectors via Induced Electric Field Based Charge Collection. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 1070, p. 170064, January 2025.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202411267473
    DOI: 10.1016/j.nima.2024.170064 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-2740-9

Collections

[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC