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飞秒激光诱发硅 PI N光电二极管饱和特性的实验研究
摘要：实验研究飞秒激光不同能量水平下照射硅PIN光电二极管的瞬时响应。二极管的时空的响应清晰地呈现出随时间排列的三个阶段。并讨论飞秒激光激发瞬时信号同高注入载流子之间的联系。结果表明空间电荷屏蔽效应导致三段分离收集阶段与两极扩散，这两个因素主要决定了被激发的瞬态响应信号。飞秒激光器脉冲能量的增长大大延长了瞬态长度。因此，飞秒激光器会使得光探测器的性能，尤其是在高速信息探测方面大打折扣。
1.介绍
随着飞秒激光技术的快速发展，飞秒激光技术已经达到引用到军事应用当中所需的水平。新一代的二极管有能源泵浦，并与成熟的Ti:Sa技术相结合，在解决导弹攻防能力方面有完美的表现。因此，飞秒激光对光电探测器的伤害应该被高度重视。硅PIN光电二极管反应灵敏，并且有成熟的制造工艺，是一种适用于可见近红外光域的很好的装置。硅PIN光电二极管被广泛应用于航空航天领域、核工业和国防等等。所以学习飞秒激光对硅PIN光电二极管的影响非常有价值。
到目前为止，相关的研究调查都主要集中注意力在飞秒激光诱导半导体超快载流子动力学，和飞秒激光对半导体和光电探测器的损伤效应。与此同时，关于飞秒激光对探测器反应速度的影响的相关研究才刚开始。研究表明飞秒激光会伤害光电探测器，并且会改变光电探测器的光谱带宽。研究还表明光电探测器很难探测到飞秒激光。在本文中，我们将研究飞秒激光诱发硅PIN光电二极管的高注入度载流子动力学，并且定性地去讨论研究其中的物理机理。
内容如下问。第二部分阐明了实验和实验结果。第三部分是对结果的讨论分析。最后一部分是该研究的概述和结论。
2.实验
2.1 飞秒激光诱发信号测量
为了研究飞秒激光诱发硅 PI N光电二极管饱和特性，实验过程如下。
在这个实验中，如图1，一个锁模激光器以250KHZ的频率产生150飞秒脉冲。脉冲将通过衰减器和分流器以达到功率控制的作用。锁模激光器的瞬时信号被数字存储示波器取样并测量。
图1 时域测量原理框图
该探测器为硅PIN光电二极管，其两端有15V偏置电压和50Omega;的负载电阻。该光电二极管的活动区域直径为1mm，响应时间为10ns。它的结构和应用电路如图2所示。该实验中使用的示波器型号是LeCory 104MXs-A，这种示波器的带宽为1GHz，采样速率为5Gs/s。
图2 硅PIN光电二极管的横 图3 硅PIN光电二极管对飞秒激光
截面结构和应用电路 不同脉冲能量水平的反应信号
2.2 实验结果
不同脉冲能量范围从20nJ到4000nJ的飞秒激光诱发硅PIN光电二极管的一段时间内的瞬时信号如图3所示。
从图3看得出来，飞秒激光诱发硅PIN光电二极管的信号曲线有一个超快的上升沿和一个延展的尾巴。如图4和图5，脉冲的尾巴的宽度为峰值电压的1/e^2倍，它的峰和长度都随飞秒激光脉冲能量增长。这个信号波形表征了三种重要的按时间顺序排列的阶段：首先是飞秒激光激发后的超快峰，然后是一段持久阶段，最后是一段迅速衰减的尾巴。当飞秒激光加在探测器上的能量大约为800nJ时，探测器达到饱和状态。中间持久的阶段正是因为飞秒激光的功率增长而增长的，也正是持久阶段与迅速衰减阶段的转折点的幅值。图6图7即为不同脉冲能量水平的飞秒激光诱发持久阶段与迅速衰减阶段之间的转折点的幅值与时间。二者都随激光功率非线性增长。
图4 不同脉冲能量水平的飞秒 图5 不同脉冲能量水平的飞秒
激光诱发信号的峰值电压 激光诱发信号的尾巴长度
图6 不同脉冲能量水平的飞秒激 图7 不同脉冲能量水平的飞秒激
光诱发持久阶段与迅速衰减阶 光诱发持久阶段与迅速衰减阶
段之间的转折点的幅值 段之间的转折点的时间
3.结论
我们将对飞秒激光诱发瞬时信号的三个按时间排列的阶段进行更细致的分析。刚开始那段飞秒激光激发后的超快峰可能要归功于以下两个同时发生的过程：等离子体极化导致的位移电流与正电极周围空穴的迅速聚集。
当载流子密度远大于装置上的浓度时，电场在空间电荷限制情况下被扰乱。高密度载流子将在光照表面产生一个高导电区域，这个区域会打乱电场的稳态分布。电场在介电弛豫时将会发生崩塌（即载流子的传导以中和空间电荷所需时间），并且在理论上电场崩塌时间相近于或快于以位移电流为主的激发过程。
然而，探测器外部电路RC时间常数的存在，使得刚开始的峰不能和飞秒激光激光的激发同步，同时会使电压峰峰值下降且会延长上升时间。电场崩塌会引起探测器瞬时电容值的上升，而瞬时电容值的上升会大大限制探测器的带宽。
空间电荷屏蔽效应引起高载流子浓度，进而会屏蔽应用电场。几乎不存在漂移电流，只存在扩散电流。载流子会进行缓慢的扩散，而两极扩散则更加缓慢。两极扩散效率是该阶段持续时间的极其重要的一个参数。在这里，我们假定波尔兹曼数据大于这个持续时间。在载流子高注入的情况下，两极扩散效率可以简化为:
上市中Dn和Dp分别是电子和空穴扩散效率。两极迁移率由下式定义：
上式中Un和Up分别是电子和空穴迁移率。但是要注意Ua在高掺杂情况下接近于0，因为高掺杂又一次意味着两极电场大到足以扰乱外部电场。因此，两极扩散与两极迁移率会导致原本的长期阶段持续加长。
一旦载流子浓度大量减少，两极便不能够再维持大电场，从而无法扰乱外部电场，同时剩下的电子和空穴将会加速漂移分离。当两极电场弱于外部电场时，相位将会出现快速衰减。
飞秒激光器引起空间电荷屏蔽效应，瞬态电容会大大限制光探测器的带宽，引起很大的非线性效应。瞬态电容的存在使得光探测器的性能大打折扣（尤其在高速信号探测方面）。
4 结论
飞秒激光器带来硅光二极管的载流子高注入度，其影响已经跃然纸上了。空间电荷屏蔽效应导致分离收集阶段与两极扩散(这两个因素主要决定了被激发的瞬态响应信号）。飞秒激光器脉冲能量的增长大大延长了瞬态长度。因此，飞秒激光器会使得光探测器的性能大打折扣（尤其是在高速信息探测方面）。此文中，我们是进行定性分析，并且在今后的工作中我们会进行定量的分析。
高效硅光电二极管探测器用于Sub-keV电子显微镜
摘要：硅光电二极管检测器用于扫描电子显微镜（SEM）。通过采用对次keV电子能量值实现增强的成像能力纯硼（PureB）层光电二极管技术沉积纳米薄光敏阳极。因此，成像使用证明了50-eV电子着陆能量值的背散射电子。检测器由几个紧密包装构成光电二极管，并获得高扫描速度，每个光电二极管具有低串联电阻和低电容值。低电容（lt;3 pF / mm2）通过厚度几乎促成本征掺杂的外延层生长以实现必然宽的耗尽区域。对于低串联电阻，二极管金属化已经被图案化为导电栅格在纳米薄PureB层前门窗的顶部。最后，检测器中间的穿透晶片孔微机械加工，用于在SEM系统中灵活定位。
指标术语：背散射电子（BSEs），硼层，电子探测器，低能电子，硅外延，硅光电二极管。
1.简介
从扫描电子显微镜（SEM）开始，已经知道低电子加速电压是获得纳米分辨率成像的关键（Knoll，1935）。物质中的低能电子的短距离意味着它们可以携带至关重要关于具有高空间分辨率的样品表面的信息。此外，还有减少的优点辐射损伤深度和充电假象减少。特别是，在这方面的好处很重要精细的生物样品和光元素的成像材料或绝缘材料如二氧化硅（SiO 2），其广泛应用于半导体行业。
有两种类型的电子用于产生图像在SEM系统中：二次电子（SE），其给出通常用于通过材料对比来识别样品组成的地形对比度和背散射电子（BSE）。SE不包含由于电子 - 电子散射而产生的成分信息样品，其包括一次电子的能量损失。另一方面，BSE来自电子 - 核散射过程由于大而不发生能量转移质量差异，组成信息容易获得。随着初级电子的能量减小，电子 - 核飞散过程将永远发生更深的深度，使BSE也变得敏感样品地形。然而，由于高度的方向性和BSE的能量与SE相比，他们不能由传统使用的Everhart-Thornley探测器检测到收集SE。
近来，一些新型固态检测器结构具有被证明具有明显的响应价值sub-keV BSE降至200 eV，以及浅穿透VUV / DUV / EUV辐射[1] - [7]。例如，一种类型具有6nm钝化SiO 2层的光电二极管检测器具有在低能量值下显示出非常高的检测效率[2]。此外，Nikzad等也展示了设备具有卓越的低能效，但结果可以由于检测效率不明原因而被质疑在较高的电子能量值[3]。在本文中，替代提出了纯硼（PureB）技术制成的光电二极管[1]。这些二极管表现出极高的效率在sub-keV电子能量值，和PureB涂层上光敏表面在电子下提供稳定的行为曝光在充电和暗电流退化方面[4]。他们已被申请下一代的制造BSE检测器[1]，这里给出了详细的描述的用于优化用于先进SEM系统的性能的处理程序。
2.基本流程
制造工艺从n型（100）晶圆开始电阻率为2-5Omega;cm。首先，40mu;m厚的外延层在1012-1013cm-3范围内掺杂生长由As分离结合动力学控制。这将作为自动调用过程的更详细描述在第四节。底物制备完成230nm厚的热氧化钝化层。通过热氧化物，两个保护环植入：p型防护罩二极管周边的环由B 植入形成在180keV处和分离相邻的n型保护环二极管通过P 注入在300keV。通过覆盖高剂量的150keV P 确保与晶片背面的欧姆接触植入物图1（a）]。在这种植入序列之后，另外400nm的四乙氧基硅烷（TEOS）被沉积低压化学气相沉积工艺（LPCVD）。添加额外的氧化物以降低贡献的金属轨道到器件电容。那么晶片就是在1000°C的氩气中退火35分钟。
硼层阳极形成如图1所示。 1（b）和详见第III-A节。它从光刻开始阳极区域定义，氧化物从中蚀刻掉缓冲的HF溶液降至Si。无氧化物表面通过在0.55％的HF中浸渍蚀刻确定，随后是Marangoni烘干。最后，进行800℃焙烧4分钟在沉积非晶态之前的外延反应器中硼层（PureB层）2分钟，40℃在700℃。这个导致lt;2-nm PureB厚度和非常有限的扩散的B。 PureB沉积的详细描述条件在[8]中给出。当晶圆被取出时外延反应器，晶片的前侧和后侧涂有Al [参见图1（c）]。。金属化图案直接在PureB表面上是获取关键的一步最佳电子检测效率和低串联电阻。它分三步进行：首先在图 1（d）二极管通过干蚀刻的互连和二极管接触定义铝到氧化物;那么在图1（e）Al网格设计通过反应离子背蚀法在PureB表面上铝厚度约为100nm，最后进入图1（f），对PureB层的湿蚀刻去除剩下的Al在湿蚀刻步骤中，在PureB上着陆层是在高度选择性的HF 0.55％溶液中定型的到纳米薄硼层。获得的金属网格几何结构降低了二极管的串联电阻在第五节讨论。然而，在着陆之前，这个微妙的PureB层，透晶片孔径是微加工的。该100-nm Al显着留在PureB表面上，以保护PureB层在体积微加工过程中。另外，层的光刻胶和聚酰亚胺PureB，以防止与机器的卡盘直接接触用于背面处理。然后，批量微加工在具有抗蚀剂掩模的两个等离子蚀刻步骤中进行：首先用“假KOH”蚀刻约300微米，（55°坡度）剖面，其次是蚀刻剩余的250mu;m，几乎垂直侧壁。的侧壁透晶片孔径完全被铝覆盖层防止任何充电和相关的偏转电子束在SEM系统中通过它。该晶圆最终在400℃下形成气体合金30分钟。所得装置横截面如图2所示。
3. PureB光电二极管
A. 硼层阳极形成
检测电子束的主要要求子keV能量值是响应区域检测器距离检测器表面的纳米远。这是因为lt;1keV电子束仅穿透一个几纳米成固体材料。检测效率高因此主要由入口处的损失减少检测器的窗口。对于硅光电二极管，这意味着额外的表面层例如导电金属化层或划伤保护层将产生负面影响效率[9]。PureB层由乙硼烷（B2H6）在700°C，厚度控制良好通过改变沉积时间降至纳米。在这里，a使用2分钟和-40秒的沉积，得到1.8纳米的PureB层。在这种条件下，掺杂下面的c-Si限于约2nm [4]。去更薄的层来实现更高的效率是PureBlayer表面覆盖均匀性的折衷。后者是至关重要的，原因有几个：
1）在与Si界面处的高浓度的孔保持二极管耗尽区域远离有缺陷的接口，并防止所产生的载流子重组界面缺陷; 2）它有助于图案化金属化层直接在PureB表面上; 3）原子序数低的硼有助于降低反向散射系数的检测器表面[10];和4）不同于Si表面PureB层在空气中不会发生任何显着程度的氧化因此当与电子接触时不会充电能量值从1到25 keV [4]。进一步减少实现更薄PureB涂层的沉积时间可导致Si表面的不均匀覆盖将最终影响所有上述属性。可衡量的指示覆盖已经完成是一个低暗电流在图1中的I-V特性中看到显示二极管在多个位置上测量的面积为0.92times;0.92cm2晶圆。这些p n结是低暗电流的理想选择并且在晶片上的价值小。平均电流发现在3V反向偏压下仅为0.74pA / mm 2的密度这表明已经形成了无缺陷的结。在此外，提取了0.05 pA / mm2的标准偏差测量超过50台设备，这证明了这一点纳米薄硼层可靠地沉积在其上晶圆。迄今为止对PureBlayer光电二极管进行的广泛研究已经确定，它们实现了饱和电流，理想性和产量，与其深交点相当对应的[1]，[4]，[6]，[7]。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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