Ziel der Entwicklung

Die klassische Silizium-Fotodioden-Technologie ist etabliert und weit verbreitet, jedoch auf den Spektralbereich von rund 190 bis 1100 Nanometer begrenzt. Messungen außerhalb dieses Spektrums sind in Silizium nur indirekt, zum Beispiel über thermische Effekte, mit technischen Einschränkungen bezüglich erreichbarer Empfindlichkeit und Dynamik möglich. Zusätzlich sind die Messungen mit anderen, weniger gut etablierten Materialsystemen und damit signifikant höheren Kosten durchführbar. Insbesondere der Infrarot-Bereich (IR) ist für die Telekommunikation und sensorische Anwendungen von großem Interesse. Nanostrukturiertes Silizium, wie das in diesem Projekt verfolgte Black-Silicon, bieten hier einen neuen Zugang. Die optischen und elektrischen Eigenschaften des so strukturierten Siliziums können sich signifikant vom Volumenmaterial unterscheiden. Das kann sowohl für passive Strukturen, zum Beispiel zur Entspiegelung, oder auch für aktive Detektoren genutzt werden. Ziel des Projektes war es, die erforderlichen technologischen Voraussetzungen für die reproduzierbare Nanostrukturierung auf Basis von Plasmaätzverfahren zu entwickeln und verschiedene Funktionalitäten der so erzeugten Black-Silicon-Strukturen zu erproben. Dazu zählen optische Antireflexionsbeschichtungen, die einerseits störendes Streulicht in Sensorsystemen unterdrücken. Andererseits sollen diese aber auch die optische Einkopplung und den Weg des langwelligen Lichts durch darunter liegende Fotodioden-Strukturen positiv beeinflussen. Durch gezielte Dotierung mit Ionenstrahlverfahren wurde zudem untersucht, ob die Nanostrukturen auch für die direkte Erzeugung von Fotoströmen unter Ultraviolett- und Infrarot-Beleuchtung geeignet sind.

Vorteile und Lösungen

Durch die Oberflächentexturierung eines p-dotierten Siliziumwafers mittels Plasmaprozess ist es möglich, Reflexionen im sichtbaren Spektralbereich auf kleiner als ein Prozent zu reduzieren. Dabei ist es vorteilhaft, die Strukturbreite im Bereich der Wellenlänge des einfallenden Lichtes herzustellen. Dies führt zu einer Mehrfachstreuung im Material, die weitgehend unabhängig vom Lichteinfallswinkel ist. Das Black Silicon reduziert so die Reflexion über einen weiten Wellenlängen- und Winkelbereich. Unabhängig vom Einfallswinkel des Lichtes erscheint die Probe schwarz. Die Höhe der Dotierung des Substratmaterials beeinflusst die Absorption über das sichtbare Spektrum hinaus in das Infrarote, sodass in Systemen die verfolgte Streulichtunterdrückung über einen weiten Spektralbereich realisiert werden kann. In der zweiten Stufe der Projektarbeit wurden Black-Silicon-Strukturen direkt auf aktiven Gebieten von Fotodioden realisiert. Hierfür wurden Prozessparameter im Standard-Wafer-Prozess an CMOS- kompatiblen Ausgangsmaterial Black Silicon variiert und verschiedene Passivierungsschichten getestet. Anschließend wurde mittels Immersionsimplantation beziehungsweise Ionenstrahlimplantation die Diodenstruktur erzeugt. Im Ergebnis wurde die Prozesskompatibilität für den gesamten Waferprozess bewiesen sowie die Bauelemente erfolgreich optisch und elektrisch auf Waferlevel charakterisiert. Die spektrale Empfindlichkeit wurde im nahen Infraroten und die Absorption des Siliziums im Wellenlängenbereich oberhalb von 1000 Nanometer gesteigert. Dies kann zum einen mit der insgesamt geringeren optischen Reflexion, zum anderen mit dem durch Streueffekte effektiv flacheren Einfallswinkel in das Volumen und damit resultierenden größeren Weglängen begründet werden. Der Versuch, die Nanostrukturen selbst als aktive Halbleiter für die Generation freier Ladungsträger für Wellenlängen größer als 1200 Nanometer zu nutzen, zeigte jedoch keinen Erfolg. Die stark zerklüftete und vergrößerte Oberfläche der Nanostrukturen führte trotz verschiedener Passivierungsversuche zu deutlich erhöhtem Grundrauschen der Teststrukturen. Die vermutete spektrale Empfindlichkeit liegt, wenn überhaupt vorhanden, unterhalb der so erreichbaren Nachweisgrenze.

Zielgruppe und Zielmarkt

Der direkte Nutzen der entwickelten Technologie ist die Streulichtunterdrückung in optischen Systemen sowie die erhöhte Empfindlichkeit im Nah-Infraroten Bereich. Ersteres kommt bei hochempfindlichen Spezialsensoren und optischen Systemen zum Tragen. Für solche Anwendungen werden Hausungen und optische Elemente bereits seit langem mit diffusen Schwarz-Beschichtungen versehen, um störende Signale von Streulicht oder Reflexionen zu verhindern. Bisher konnten die Detektoren selbst nicht mit vertretbarem Aufwand vollständig entspiegelt werden. Zum Einsatz kommen solche Systeme beispielsweise bei Sensoren für sehr schwaches Fluoreszenzlicht, bei hochwertigen Polarimetern oder streulichtbasierten Laborgeräten für die Partikelanalyse. Das CiS Forschungsinstitut entwickelt und fertigt kundenspezifische Fotodioden und –Arrays seit mehr als 25 Jahren unter anderem für solche Zielanwendungen. Mit der entwickelten Technologie können nun neue kundenspezifische Sensoren mit weiteren einzigartigen Merkmalen versehen und somit Mess- und Laborsysteme mit deutlich verbesserten Leistungsparametern erreicht werden.