High-sensitivity photodiodes using black silicon and induced junction

Julkaisun otsikon käännös: Korkean herkkyyden valodiodeja mustan piin ja indusoidun liitoksen avulla

Juha Heinonen

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

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.
Julkaisun otsikon käännösKorkean herkkyyden valodiodeja mustan piin ja indusoidun liitoksen avulla
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Savin, Hele, Vastuuprofessori
  • Juntunen, Mikko, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-64-0724-1
Sähköinen ISBN978-952-64-0725-8
TilaJulkaistu - 2022
OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

  • musta pii
  • nanorakenne
  • indusoitu liitos
  • valodiodi
  • atomikerroskasvatus

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Korkean herkkyyden valodiodeja mustan piin ja indusoidun liitoksen avulla'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä