MIR Breitband-Photodetektor bei Raumtemperatur auf der Basis von Si:Te für die Integration auf Wafer-Ebene

• Antragsteller: Dr. Shengqiang Zhou, seit 4/2022
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445049905

Die Breitband-Empfindlichkeit von Si im Infraroten bei Raumtemperatur ist für die Entwicklung von On-Chip CMOS-kompatiblen photonischen Plattformen von großem Interesse. Durch tiefe Störstellen, die mittels Ionenimplantation und gepulste Laserausheilung erzeugt werden, können Si-basierte Photodetektoren eine signifikante Empfindlichkeit unterhalb der Bandlücke erreichen. Die kritischen Fragen in Bezug auf die Leistungsparameter von Photodetektoren wurden jedoch noch nicht behandelt, einschließlich der spezifischen Detektivität (D*), der äquivalenten Rauschleistung und der Ansprechzeit. Am kritischsten ist dabei die fehlende Skalierbarkeit der gepulsten Laserausheilung, die für industrielle Anwendungen und die Integration von Si-basierten Photodetektoren auf Wafer-Ebene hinderlich ist. In diesem Vorhaben fokussieren wir uns auf umfangreiche Forschungsarbeiten von der Synthese von Si:Te Schichten mittels Festphasenepitaxie bis hin zur Herstellung und Optimierung von Si:Te MIR Photodetektoren bei Raumtemperatur durch einen industriekompatiblen Ansatz, der Ionenimplantation mit Blitzlampenausheilung kombiniert. Im Unterschied zur gepulsten Laserausheilung ist die Blitzlampenausheilung für industrielle Anwendungen skalierbar und erlaubt die Herstellung solcher MIR Photodetektoren in Arrays auf Wafer-Ebene. Das p-Typ Si Substrat wird mit Te implantiert und anschließend mit Blitzlampenausheilung im Millisekundenbereich ausgeheilt, um Implantationsschäden zu beseitigen und Te zu aktivieren. Alle Herstellungsparameter werden optimiert, um hochwertige, einkristalline Si:Te Schichten zu erhalten. Das optimierte Material dient anschließend zur Herstellung von Prototypen dieses Si:Te MIR Photodetektors. Die elektrischen (Dunkelstrom) und optischen (externe Quanteneffizienz, Detektivität und äquivalente Rauschleistung) Eigenschaften sowie die Wettbewerbsfähigkeit im Vergleich zu kommerziellen Produkten werden untersucht und optimiert. Schließlich wird die Integration von Si:Te Photodetektor-Arrays auf Wafer-Ebene zur Detektion im MIR in photonischen CMOS kompatiblen Strukturen untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Yonder Berencén, Ph.D.; Professor Dr. Manfred Helm; Dr. Slawomir Prucnal; Professor Dr. Dietrich R. T. Zahn
• Ehemalige Antragstellerin: Dr. Mao Wang, bis 4/2022