Fabrication of PIN photodiode sensors and characterization

Abstract

3.5 x 3.5 mm2, 5.0x5.0 mm2 ve 7.0x7.0 mm2 aktif alana sahip p-bölgeli, saf, n-bölgeli (PIN) foto diyotlar 500 µm kalınlığında 2.4 kΩ - 2.8 kΩ yüzey direncine sahip (100) yönelimli saf silikon alt taş üzerine geleneksel fotolitografi metodu kullanılarak üretilmiştir. Üretim sırasında farklı taşıyıcı yüklere sahip n ve p bölgeleri fosfor (POCl3) ve boron (BBr3) katkılaması termal difüzyon yöntemi kullanılarak 950 oC oluşturulmuştur. Üretilen PIN foto diyotların kapasitans voltaj (C-V) karakteristiği beklendiği gibi her bir PIN diyotun kapasitans değerlerinde uygulanan ters kutuplama voltajı ile üstel bir şekilde azalma gözlenmiştir ve diyotlar -5V voltta doyum noktasına ulaşmıştır. Doyum noktasındaki kapasitans değerleri pF mertebesinde ölçülmüştür. PIN diyotların karanlık akım (Id-V) değerleri ters kutuplama oda sıcaklığında ölçülmüştür. PIN foto diyotlar sahip olduğu yapı sayesinde yüksek voltajlarda bozulma olmadan çalışmaktadır. Fakat yüksek voltajın etkisi ve silikonun sıcaklıktan etkilenmesi nedeniyle oluşan karanlık akım değerleri µA mertebesinde gözlenmiştir. Daha düşük voltajlarda ise karanlık akım değerleri nA mertebelerine kadar düşmüştür. Kuantum verimliği ve spektral cevap sonuçlarına göre üretilen Silikon PIN foto diyotlar 380 nm-1100 nm arasındaki dalga boylarını algılayabilmektedir ve 810 nm dalga boyunda maksimum verimliliğe ulaşmaktadır. Üretilen PIN diyotlar optoelektronik uygulamalarda kullanılabilir.

p-type, intrinsic, n-type (PIN) photodiodes with active areas of 3.5 x 3.5 mm2, 5.0x5.0 mm2, and 7.0x7.0 mm2 were fabricated using the conventional photolithography method on a 6 inch (100) intrinsic silicon wafer with a surface resistivity of 2.4 kΩ - 2.8 kΩ at 500 μm thicknesses. n and p regions were formed using the phosphorus (POCl3) and boron (BBr3) doping at 950 °C via thermal diffusion method. As expected for the capacitance – voltage (C-V) characteristic of the fabricated PIN photodiodes decreases exponentially with the reverse-biased voltage. The capacitance of each PIN diode reached a fully depleted point at -5V. The capacitance was measured at the fully depleted point as the order of pF. The dark current-voltage (Id-V) characteristics of the PIN diodes were measured at room temperature in the reverse biased. Thanks to the structure of the PIN diodes, they have worked on high voltages without breakdown. However, due to the effects of high voltage and the effects of silicon temperature dependency, the dark current is observed in µA at breakdown voltage. At lower voltages, the dark currents drop to nA. Silicon PIN photodiodes, which are produced according to the results of quantum efficiency and spectral responses, can detect wavelengths between 380 nm and 1100 nm and have reached maximum efficiency at 810 nm wavelength. The fabricated PIN diodes can be used in optoelectronic applications.