DuEPublico 2

Dies ist unser neues Repositorium, derzeit für E-Dissertationen und ausgewählte weitere Publikationen. Weitere Informationen...

Entwicklung und Untersuchung von Photodetektoren in einer Dünnfilm-SOI-Technologie

Schmidt, Andrei

In der vorliegenden Arbeit wird die Eignung einer Dünnfilm-SOI CMOS-Technologie zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung untersucht. Die Detektion von Strahlung in dieser Technologie wird durch drei technologiespezifische Aspekte geprägt. Diese sind die relativ dünne Siliziumschicht, der dadurch erzwungene laterale Aufbau von Photodetektoren und die elektrische Steuerung der Photo-detektoren durch das sogenannte Back-Gate. Da bisher keine Erkenntnisse über die Eignung einer Dünnfilm-SOI-Technologie zur Anwendung im Bereich Einzelphoton-Detektor vorliegen, wird dieser Aspekt zusätzlich untersucht. Das elektrische und optische Verhalten von pin-Photodioden wird betrachtet. Beim elektrischen Verhalten sind der Dunkelstrom und das Durchbruchverhalten wichtige Parameter. Der Dunkelstrom wird in Abhängigkeit der Dotierung, der Geometrie und der Temperatur der pin-Photodiode untersucht. Zum Verständnis der Entstehung des Dunkelstroms wird ein Modell zu dessen Beschreibung entwickelt. Das Durchbruchverhalten wird mit Hilfe von elektrischen Messungen und numerischen Simulationen untersucht. Dabei wird besonders der Einfluss des Back-Gates betrachtet. Schließlich wird die pin-Photodiode als Einzelphoton-Detektor betrieben und charakterisiert. Aufgrund der geringen Dicke des Siliziums und der Absorption der Siliziumnitrid-Passivierung ist die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, die detektiert werden kann, auf den ultravioletten Spektralbereich beschränkt. Der Dunkelstrom der pin-Photodiode ist, verglichen mit Dioden der Standard CMOS-Technologie, geringer, insbesondere wenn die Temperatur des Bauelements erhöht wird. Der dominante Beitrag zum Dunkelstrom der pin-Photodiode ist die thermische Generation an den Grenzflächen zwischen Silizium und Siliziumdioxid. Sowohl die Generation als auch die Temperaturabhängigkeit werden gut durch das entwickelte Modell beschrieben. Beim Betrieb der pin-Photodiode als Einzelphoton-Detektor kommt es zum Walk-Out-Effekt. Dieser Effekt verursacht ein instabiles Verhalten, welches durch Generation von elektrisch aktiven Ladungen an den Grenzflächen zwischen Silizium und Siliziumdioxid entsteht. Die Generation der Ladungen wird durch das elektrische Feld bestimmt, welches von den Potentialen an den Elektroden der pin-Photodiode abhängt. Aufgrund des Walk-Out-Effekts können die Parameter eines Einzelphoton-Detektors, die Dunkelzählrate und die Photon-Detektionseffizienz, nur mit einer großen Unsicherheit bestimmt werden. Zur weiteren Untersuchung dieser Parameter wird ein bestehendes Modell für die Anwendung in der SOI CMOS-Technologie weiterentwickelt. Dadurch wird die theoretisch erreichbare Photon-Detektionseffizienz bestimmt und ein Weg aufgezeigt, wie diese erhöht werden kann. Diese Untersuchungsergebnisse zeigen, wie die pin-Photodiode optimiert werden kann. Der Dunkelstrom kann reduziert werden, wenn die Generation an den Grenzflächen zwischen Silizium und Siliziumdioxid reduziert wird. Darüber hinaus kann das Modell zur Beschreibung des Dunkelstroms erweitert und verbessert wer-den. Für den Betrieb als Einzelphoton-Detektor muss der Walk-Out-Effekt gemindert oder vollständig unterdrückt werden.

The topic of this thesis is the investigation of a thin-film SOI CMOS technology with respect to the detection of electromagnetic radiation. Three technology specific aspects influence the detection of radiation. They are the relatively thin silicon layer, the lateral orientation of photodetectors resulting from this small layer thickness and the so called back-gate which allows an additional electrical control of the photodetector. Furthermore the possibility to use thin-film SOI photodetectors as single-photon detectors will be investigated to extend the usability of this technology. The electrical and optical performance of pin-photodiodes is investigated in this work. Dark current and the breakdown behavior are the most important parameters concerning the electrical performance. The dependence of the dark current with re-spect to doping concentration, geometry, and temperature is considered. An analytical model is developed in order to investigate the origin of the dark current. Electrical measurements and numerical simulations, especially considering the influence of the back-gate potential, are used to investigate the breakdown of the pin-photodiodes. Finally these diodes are operated as single-photon detectors and characterized. A small silicon thickness and the silicon-nitride passivation are the limiting factors with respect to the detectable wavelength of the electromagnetic radiation. An effective detection is only possible for ultraviolet radiation. The dark current of the pin-photodiode is smaller compared to bulk CMOS diodes. This is particularly true if the device temperature is increased above room temperature. The major contribution to the dark current is the generation current at the silicon to silicon dioxide interface. Both, the magnitude of the current and the temperature dependence, are well described by the model which is developed for the pin-photodiode. The walk-out-effect sets in when the pin-photodiode is in operation as single photon-detector. This effects result in an unstable breakdown voltage due to generation of electrically active interface states at the interface silicon to silicon dioxide. The electric field is the driving force for the interface state creation. The walk-out-effect hinders a reliable characterization of the dark count rate and the photon detection efficiency. Therefore a model based on bulk CMOS diodes is ex-tended in order to be used for SOI pin-photodiodes in operation as single-photon detectors and investigate the photon detection efficiency theoretically. This model is used to enhance the pin-photodiode photon detection efficiency. The results of this work reveal the possibilities to improve the SOI pin-photodiode. The dark current can be reduced by improvement of the silicon-silicon dioxide interfaces. Further the dark current model may be extended and optimized. To allow for the use of pin-photodiodes as single-photon detector the walk-out-effect has to be reduced or completely suppressed.

Share and cite

Citation style:

Schmidt, Andrei: Entwicklung und Untersuchung von Photodetektoren in einer Dünnfilm-SOI-Technologie. 2016.

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export