Publication: Near infrared detectors based on silicon supersaturated with transition metals
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Publication Date
2019-11-20
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Universidad Complutense de Madrid
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Abstract
Along this thesis, titled “Near Infrared detectors based on silicon supersaturated with transition metals”, we describe the research based on Ti supersaturated Si substrates, aiming to extend the photoresponse of bare Si towards photon energies lower than the bandgap at room temperature. The starting material is a crystalline Si substrate, which is Ti ion implanted in concentrations up to five orders of magnitude higher than the solid solubility limit (hence the “supersaturation” term). Later, a Nanosecond Laser Annealing (NLA) treatment is used to recover the crystal quality lost after the implantation process. When the concentration of Ti atoms is high enough, the discrete wavefunction of each impurity may overlap to form an allowed band of states between the valence and the conduction band, called the impurity band. Thus, carriers from the valence band could promote to the conduction band through the Ti impurity band by absorbing photons with energy lower than the bandgap. The purpose of the thesis is to develop a fabrication route that could integrate the Ti supersaturated Si material into a commercial CMOS Image Sensor, targeting the imaging in the Near Infrared (NIR) and Short-Wave Infrared (SWIR) ranges, that is, from 0.7 to 3.0 μm, at room temperature. There are several fields (outdoors night vision, smart driving, food inspection, disaster management, oil spill detection, Internet of Things) that are demanding cheaper IR imaging sensors with higher resolutions. A material based on silicon, compatible with a CMOS route, could offer more competitive alternatives to what is actually available in the market. Most imaging solutions used in the NIR and SWIR range nowadays lack one or more of the next features: CMOS route compatibility (which has a direct impact on the cost), room temperature operation, fast response, high scalability (to provide resolutions, at least, of several megapixels), environmentally friendly and abundant raw materials. To date, uncooled Ge and InGaAs photodetectors are mostly used to detect photons in the SWIR range, which feature considerably higher prices per pixel than Si technologies...
Esta tesis, titulada “Dispositivos detectores de infrarrojo próximo basados en silicio supersaturado con metales de transición” describe la investigación basada en sustratos de Si supersaturados con Ti, buscando extender la fotorrespuesta del Si hacia energías menores que las del bandgap a temperatura ambiente. Como material de partida, se han empleado obleas de Si monocristalino, las cuales fueron modificadas mediante un proceso deimplantación iónica con átomos de Ti en muy altas concentraciones, llegando a superar el límite de solubilidad sólida en hasta cinco órdenes de magnitud (de ahí la denominación de “supersaturación”). Seguidamente, y con objeto de recuperar la calidad cristalina perdida durante la implantación iónica, se recocieron las muestras con un proceso láser (Nanosecond Laser Annealing, NLA). Si la concentración de átomos de Ti en el seno de la red del silicio es lo suficientemente alta, las funciones de onda discretas asociada a cada impureza podrían llegar a solapar entre ellas, llegando a formar una banda de estados permitidos entre la banda de valencia y la de conducción, denominada banda de impurezas. Así, sería posible absorber fotones con energía menor que la del bandgap del silicio. El objetivo de esta tesis es el desarrollo de un proceso de integración del material de Si supersaturado con Ti en una ruta comercial de cámaras basadas en tecnología “CMOS” (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), orientados a la detección en rango de infrarrojo cercano (Near Infrared, NIR) y próximo (Short-Wave Infrared, SWIR), es decir, desde 0.7 hasta 3.0 μm. Actualmente, diversas aplicaciones (visión nocturna en entornos exteriores, conducción autónoma, calidad alimentaria, el internet de las cosas, gestión de desastres como incendios, derrames de petróleo, humedad de acuíferos) requieren de sensores de IR más baratos y con mayor resolución. Un material basado en silicio, compatible con una ruta CMOS, podría ofrecer alternativas más competitivas en comparación a las tecnologías actuales, las cuales no cumplen con uno o más de los siguientes requisitos: compatibilidad con una ruta CMOS (que afecta al precio), operación a temperatura ambiente, rápida respuesta, alta escalabilidad (para obtener mayores resoluciones, en el orden de megapíxeles), respeto al medioambiente y materiales abundantes. Hasta la fecha, los materiales más empleados para fotodetectores en el rango SWIR no refrigerados son el Ge e InGaAs, los cuales son considerablemente más caros en precio por píxel que tecnologías basadas en Si...
Esta tesis, titulada “Dispositivos detectores de infrarrojo próximo basados en silicio supersaturado con metales de transición” describe la investigación basada en sustratos de Si supersaturados con Ti, buscando extender la fotorrespuesta del Si hacia energías menores que las del bandgap a temperatura ambiente. Como material de partida, se han empleado obleas de Si monocristalino, las cuales fueron modificadas mediante un proceso deimplantación iónica con átomos de Ti en muy altas concentraciones, llegando a superar el límite de solubilidad sólida en hasta cinco órdenes de magnitud (de ahí la denominación de “supersaturación”). Seguidamente, y con objeto de recuperar la calidad cristalina perdida durante la implantación iónica, se recocieron las muestras con un proceso láser (Nanosecond Laser Annealing, NLA). Si la concentración de átomos de Ti en el seno de la red del silicio es lo suficientemente alta, las funciones de onda discretas asociada a cada impureza podrían llegar a solapar entre ellas, llegando a formar una banda de estados permitidos entre la banda de valencia y la de conducción, denominada banda de impurezas. Así, sería posible absorber fotones con energía menor que la del bandgap del silicio. El objetivo de esta tesis es el desarrollo de un proceso de integración del material de Si supersaturado con Ti en una ruta comercial de cámaras basadas en tecnología “CMOS” (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), orientados a la detección en rango de infrarrojo cercano (Near Infrared, NIR) y próximo (Short-Wave Infrared, SWIR), es decir, desde 0.7 hasta 3.0 μm. Actualmente, diversas aplicaciones (visión nocturna en entornos exteriores, conducción autónoma, calidad alimentaria, el internet de las cosas, gestión de desastres como incendios, derrames de petróleo, humedad de acuíferos) requieren de sensores de IR más baratos y con mayor resolución. Un material basado en silicio, compatible con una ruta CMOS, podría ofrecer alternativas más competitivas en comparación a las tecnologías actuales, las cuales no cumplen con uno o más de los siguientes requisitos: compatibilidad con una ruta CMOS (que afecta al precio), operación a temperatura ambiente, rápida respuesta, alta escalabilidad (para obtener mayores resoluciones, en el orden de megapíxeles), respeto al medioambiente y materiales abundantes. Hasta la fecha, los materiales más empleados para fotodetectores en el rango SWIR no refrigerados son el Ge e InGaAs, los cuales son considerablemente más caros en precio por píxel que tecnologías basadas en Si...
Description
Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Físicas, Departamento de Estructura de la Materia, Física Térmica y Electrónica, leída el 18/10/2019