curs 2 10aprilie fotodetectoare cu microvavitate optica teorie realizare
DESCRIPTION
fotodetectoareTRANSCRIPT
FOTODETECTOARE CU MICROCAVITATE OPTICA
Bazele functionarii fotodetectoarelor cu microcavitate optica.
Dispozitivele de fotodetectie asociate cu o microcavitate optica realizate in
materiale semiconductoare prezinta urmatoarele avantaje:
- potentialitatea microcavitatilor semiconductoare de a modula radiatia optica
prin utilizarea conditiilor de rezonanta “on” si “ off” a microcavitatii;
- de crestere a eficientei cuantice a fotodetectoarelor plasate in microcavitati prin
reflexii mutiple pe peretii cavitatii,
- realizarea selectivitatii/acordabilitatii fenomenului de detectie pe anumite
lungimi de unda functie de conditiile de rezonanta ale cavitatii;
In fotodiodele conventionale (cu jonctiune pn, structura de tip PIN sau Schottky )
obtinerea simultana a unei eficiente mari si timp de raspuns mic nefiind posibila o
solutie de a depasi acest inconvenient ar fi marirea drumului optic al radiatiei de
detectat prin regiunea de absorbtie utilizand reflexia multipla. In acest mod radiatia
fiind absorbita total intr-o regiune de grosime mica purtatorii de sarcina fotogenerati (
electron -gol ) o vor tranzista rapid in conditiile asigurarii unei eficiente cuantice mari
detectorului.
Un asemenea dispozitiv de detectie se poate obtine prin plasarea regiunii de
absorbtie a fotodiodei intre doua suprafete cu reflectivitate mare selectiva in raport cu
lungimea de unda. In aceste conditii detectorul rezultat va avea o eficienta cuantica
mare ( ~100 % ) in conditiile unui timp de raspuns mic.
In conditiile in care aceasta microcavitate datorita dimensiunilor si
proprietatilor de reflexie a straturilor utilizate asigura conditiile de rezonanta pentru
radiatia de anumita lungime de unda , detectorul rezultat va beneficia pe langa cele
aratate mai sus ( raspuns marit si rapiditate ) si de selectivitate si amplificarea in
interiorul cavitatii a campului optic.
Modelul de structura considerat pentru analiza fotoraspunsului fotodiodei cu
microcavitate cu pereti reflectanti pe suprafata de incidenta a radiatiei si pe spatele structurii
este prezentat in figura 2.1. Structura analizata este o fotodioda de tip PIN cu cele trei regiuni
avand grosimile L1 , d si respectiv L2 polarizata la o tensiune inversa care asigura regimul de
golire totala. Lungimea totala a materialului absorbant este suma grosimilor celor trei regiuni
ale fotodiodei , L = L1 + d + L2 .
Parametrii optici ( n-indice de refractie si - coeficient de absorbtie ) pentru cele trei
regiuni sunt: np si p pentru stratul P; n si pentru stratul I; nn si n pentru stratul N.
Constantele diferentei de faza notata cu ( = d ; = 2n/ , lungimea de unda a radiatiei
incidente) la parcurgerea celor trei regiuni ale structurii sunt: p, si n.
Fig.2.1. Reprezentarea schematica a structurii de fotodioda cu microcavitate
semiconductoare cu pereti reflectanti.
Relatiile obtinute pentru eficienta cuantica si raspunsul in frecventa a unei fotodiode
de tip PIN] si utilizate in analiza si proiectarea fotodetectoarelor cu microcavitate in siliciu
sunt prezentate in Anexa A.
Relatiile deduse ( Anexa A) pentru eficienta cuantica (2.7) si raspunsul in frecventa
(2.22) luand in considerare dimensiunile cavitatii, de parametrii optici ai peretilor reflectanti
si caracteristicile materialului din interiorul cavitatii permit optimizarea fotoraspunsului
detectorului functie de dimensiunile geometrice ale microcavitatii si de parametrii optici ai
peretilor reflectanti.
ANEXA A
Se prezinta calculul campului optic intr-o microcavitate optica.
Expresiile campului optic intr-o microcavitate semiconductoare
Radiatia incidenta este caracterizata prin amplitudunea complexa a vectorului camp
electric a u.e.m, Ei ( Ei = E0 eit
) care dupa trecerea in regiunea P a fotodetectorului va fi t1
Ei , unde 2
11 1 rt reprezinta coeficientul de transmisie a straturilor reflectante de pe fata
structurii. Coeficientii de reflexie ai oglinzilor sunt: r1e-j1
si r2e-j2
unde
1=4/(n1d1)cos si 2= 4/ (n2d2) cos. n1, n2, d1, d2, reprezinta indicii de refractie si
grosimiile oglinzilor iar unghiul de incidenta intern. Radiatia dupa prima reflexie pe cele
doua notata cu Ef1 si Es1 va suferi reflexii multiple pe peretii cavitatii pana la stingerea ei
datorita absobtiei in straturile de material semiconductor ce compun fotodioda. Astfel
componentele acestei unde calatoare prin cavitate reflectate pe fata plachetei sunt notate cu
Ef1, Ef2, Ef3, ....... Efi,..... iar cele reflectate pe spatele plachetei sunt notate cu Es1, Es2, Es3, .......
Esi,....... . Campul de radiatie intr-un punct x din interiorul cavitatii, E ( x ) , se va obtine prin
superpozitia componentelor reflectate de cei doi pereti reflectanti :
E ( x ) = Ef ( x ) + Es ( x ) (2.1)
Expresiile pentru componentele Ef si Es sunt date de relatiile:
xxjxx
dLLjLLL
if ee
eeeerr
tEE
npnp
.)()(
}])[(2{
21
1
2121211
(2.2)
Aeeeeeerr
tEE xLxjxLx
dLLjLLL
is
npnp
).()()()(
}])[(2{
21
1
2121211
(2.3)
unde :
}])[(2{2/12/12/1
222121
dLLjLLL npnp eeeerA (2.4)
Produsele de forma [ (x) x], [(x) x], [ (x) ( L-x)] si [(x) (L-x)] din relatiile (2.2),
(2.3), si (2.4), in functie de pozitia lui x ( in regiunea P, I sau N ) au urmatoarele expresii :
0 < x < L1 L1 < x < L1 + d L1 + d < x < L
(x) x
(x) x
(x) ( L-x)
(x) (L-x)
1/2 p x
p(x) x
1/2[pL1 + n(L2-x)+d]
p L1 + n(L2- x)- d
1/2[ pL1 + ( x-L1 )]
p L1 + (x-L1)
1/2[nL2+(L1+d-x)]
n L2 + (L1+d - x)
1/2[d + n( x-d )]
d + n(x-d)
1/2(L-x)
(L-x)
Expresiile (2.2) si (2.3), ale campului optic format din fractiuniile reflectate de cele
doua suprafete au fost deduse considerand microcavitatea semiconductoare ca o cavitate
Fabry-Perot cu doua oglinzi plan paralele cu lungimea L ( L=L1+L2+d ) si coeficientii de
reflexie r1 si r2 , cu indicele de refractie al mediului compus din trei straturi straturi ( n, np, nn
) ca fiind suma seriei geometrice cu ratia subunitara ( S = primul termen/1-ratia ). Cunoscand
amplitudunea complexa E(x) puterea va proportionala cu / E (x)/2 care reprezinta produsul
EE* si data de realatia (2.5)
)(cos21
)(211
2
22222
121
2
1
2
xfeeerreeerr
tExE
LLLLLL
i
nnpnnp
(2.5)
unde :
cos2)(
)])(()([)()(22
2
)(2 21 xLxxxxLxLLLxx eeeeerexf np (2.5a)
]dLLx)x()xL)(x([ 22n1p (2.5b)
2121 dLL np (2.5c)
Eficienta cuantica a fotodiodei cu microcavitate
Eficienta cuantica a generarii de purtatori de neechilibru datorita puterii
radiante absorbte untr-un fotodetector de tip pin ( fig. 1) plasat intr-o microcavitate optica,
in conditii de iluminare stationara este egal cu numarul de fotoni absorbiti si are expresia:
}{1
1 ][2
22}])[(2{
21
2
1 21
212121
LLd
sfdLLjLLL
gnp
npnp
erLLeeeerr
r
(2.6)
unde:
)1()1()1( 11
11 LddLL
sp
Lppp eeeeeeL
(2.6a)
)1()1()1( 1222LdLdLL
spnnn eeeeeeL
(2.6b)
Neglijarea absorbtiei radiatiei in regiunea p si n ( datorita grosimii mici si a dopajului mare a
acestora fata regiunea i ) adica inlocuind in relatiile obtinute coeficientii de absorbtie n, p ,
egale cu zero se obtin o relatie mai simpla care reprezinta eficienta cuantica a unei fotodiode
de tip pin cu straturile p si n foarte subtiri la functionare in regim de golire totala
2}])[(2{)(
21
)()(
21
2121)()(1
]1[])(1[()](1[(
dLLjd
dd
npeeRR
eeRR (2.7)
R1() = /r1()/2 si R2() = /r2()/
2 reprezinta reflectantele oglinzilor microcavitatii optice.
Aceasta relatie pune in evidenta dependenta efiecientei cuatice de carcteristicile oglinzilor
microcavitatii , de parmetrii materialului semiconductor . de dimensiunile microcavitatii si de
lungimea de unda incidenta pe dispozitiv. Din relatia (2.7) se observa ca pentru o lungime de
unda aleasa - 0, eficienta cuantica va avea un maxim atunci cand :
2 [(pL1+nL2)+d]+1+2= m2 (2.8)
unde m este un numar intreg. Cu acesta conditie max este data de relatia:
]e1[
e)(R)(R1
]e)(R1[()](R1[()(
d)(
2d)(0201
d)(0201
max0
0
0
(2.9)
Se poate vedea din realtia (2.9) ca exista o singura valoare a grosimii regiunii active –d
pentru care devine maxim. Aceasta valoare, max se obtine egaland cu zero derivata relatiei
(5.9) cu zero si este:
))(1()()(2
)()())(1()(2ln[
)(
1
020201
02010202
RRR
RRRRdopt
(2.10)
Fotoraspunsul fotodiodei in regim dinamic
Fotoraspunsul functie de frecventa J() necesita cunoasterea distributiei de purtatori
de neechilibru generati in dispozitiv de catre unda calatoare. Neglijand generarea in regiunile
P si N si considerand ca regiunea I este golita de purtatori ecuatiile de continuitate pentru
electroni si goluri in aceasta regiune sunt:
)t,x(gx
)t,x(pv
t
)t,x(pp
(2.11)
)t,x(gx
)t,x(nv
t
)t,x(nn
(2.12)
unde g(x,t) este rata fotogenararii in volumul cavitatii, vp si vn sunt vitezele pentru goluri si
respectiv electroni in stratul . Rata fotogenararii este proportionala cu distributia campului
in interiorul cavitatii adica cu f(x) data de relatia (5.5a, b, c) si care pentru regiunea I devine:
)bxb(cosaeae)x(f 212x
1x
(2.13 )
)(2
2
2
222
1
22
2
222
1
dLb
db
eera
eera
n
LL
LL
nn
nn
Daca se considera radiatia incidenta modulata sinusoidal cu indicele de modulare m rata
generarii g(x,t) va fi de forma:
]me1)[x(fg)t,x(g tj0
(2.14)
Densitatile de purtatori pot fi exprimate ca fiind:
tj
tj
exnxntxn
expxptxp
)()(),(
)()(),(
10
10
(2.15)
Inlocuind in (2.11) si (2.12) densitatile de purtatori date de (2.15) se obtin urmatoarele ecuatii
pentru n1 si p1:
)x(fv
mg)x(p
vj
dx
)x(dp
p
01
p
1
(2.16)
)x(fv
mg)x(n
vj
dx
)x(dn
n
01
n
1
(2.17)
Rezolvarea ecuatiilor (2.16) si (2.17) conduce la urmatoarele expresii pentru distributia de
electroni si goluri in regiunea I:
-distributia spatiala a golurilor data de relatia
2
p
21
21121px)v/j(
2
2
p
21
1121px)v/j(
2
p
d))v/j((x))v/j((
1
p
d))v/j((x))v/j((x)v/j(
p
01
)v
(b
)bdbsin(b)bdbcos(v
j
ea
)v
(b
)bxbsin(b)bxbcos(v
j
ea
v
j
eea
v
j
ee{e
v
mg)x(p
p
p
pppp
p
(2.18)
- distributia spatiala a electronilor data de relatia:
2
n
21
12n
2
2
n
21
1121nx)v/j(
2
n
x))v/j((
n
x))v/j((x)v/j(
n
01
)v
(b
bsinbbcosv
j
a
)v
(b
)bxbsin(b)bxbcos(v
j
ea
v
j
1e
v
j
1e{e
v
mg)x(n
2
n
nnn
(2.19)
Distributiile obtinute (2.18) si (2.19) s-au utilizat pentru exprimarea densitatii curentului in
fotodioda functie de frecventa. Astfel s-a obtinut
tjs0
d
0
tj1n1p
d
00n0p
d
0np
e)(JJ
edx)]x(nv)x(pv[d
qdx)]x(nv)x(pv[
d
q
dx)]t,x(nv)t,x(pv[d
q)(J
(2.20)
unde: q – sarcina electronului
J0 – este componenta dc a fotocurentului
Js() - componenta ac a fotocurentului diodei
d
np dxxnvxpvd
q
011 )]()([) Js(
Raspunsul in frecventa a fotodiodei este data de :
)(J
)(Jlog20)(F
s
s10
(2.21)
Raspunsul in frecventa al fotodetectorului intr-un circuit va fi determinat si de rezistenta de
sarcina si capacitatea fotodiodei si astfel relatia (2.21) devine:
222
s
s
10
CR1
)(J
)(J
log20)(F
(2.22)
Astfel in figurile 2.2 a,b,c, si 2.3 sunt reprezentate valorile calculate ale eficientei cuantice
si ale raspunsului in frecventa pentru o fotodioda cu microcavitae optica avand ca material
hetrostructura de InP/InGaAs.
Parametrii considerati in calcul pentru fotodetectorul studiat au fost:
- indicii de refractie , n = 3,54 ( InGaAs ) si nn= np= 3,15;
- reflectantele peretilor , R1=0,95, R2=0,85 ;
- coeficientul de absorbtie, ()= exp (3,935-3,524 +0,470 ), [5.12];
- vitezele electronilor si ale golurilor in stratul ,vn = 6,5 x 106 cm/s,
vn = 4,8 x 106 cm/s;
- grosimile optice ale oglinzilor, n1d1 = n2d2 = 0,1 m;
- dimensiunile microcavitatii, L1 = 0,7 m, L2 = 0,5 m, si diferite grosimi ale
regiunii active d = 0,5 m, 0,3 m, 0,17 m;
a)
B )
c)
Fig. 2.2. Eficienta cuantica calculata functie de pentru o fotodioda cu microcavitate optica
pe InGaAs: a) d= 0.5m; b) d=0.3m; c) d= 0.17m.
Figura 2.2 pune in evidenta existenta maximelor la anumite lungimi de unda si un d, maxime ce sunt
determinate de diferenta de drum optic dintre cele doua componente
reflectate ale radiatiei. De
asemenea se observa obtinerea de valori mari pentru eficienta cuantica (>40%) fata de o fotodioda
conventionala ( = 0,02 ) cu aceleasi caracteristici de material.
Structuri de fotodetectoare cu microcavitate optica pe substrat de siliciu
Sunt prezentate doua tipuri de fotodetectoare cu microcavitate optica realizate pe
substrat de siliciu:
a) fotodetector cu jonctiunea pn plasata intr-o microcavitate optica cu pereti
reflector;
b) fotodetector cu microcavitatea optica realizata deasupra jonctiunii pn.
a) Fotodetector cu jonctiunea pn plasata intr-o microcavitate optica cu pereti
reflector
Materialul semiconductor utilizat pentru structura de fotodetector cu
microcavitate este Si epitaxial de tip N/N+ cu orientarea cristalografica <111> ,
stratul epitaxial avind caracteristicile ( rezistivitatea si grosimea ) corelat e cu
lungimea de unda a radiatiei pentru care se doreste optimizarea detectiei. Pentru o
detectie eficienta si rapida (> 50% si timpi de raspuns <5ns ) cu o fotodioda de tip
PIN a radiatiei cu (0,7-0,950) m caracteristicile stratului de siliciu epitaxial, asa
cum s-a aratat in primul capitol, trebuie sa fie astfel incat sa absoarba o fractiune cat
mai mare din radiatia incidenta si colectarea purtatorilor minoritari sa se realizeze intr -o
regiune cu camp electric. Aceste cerinte sunt indeplinite de straturile de Si cu grosimi
de 100 m si rezistivitatea de peste 200 cm. Detectia eficienta si rapida a radiatiei
cu lungimea de unda de 1,06 m cu adancimea de patrundere mai mare de 200 m nu
este posibila cu o structura de tip PIN dar poate fi asigurata de fotodioda cu
microcavitate optica cu pereti reflectanti. Un timp de raspuns mic, t r ( <1 ns) simultan
cu o eficienta cuantica mare (>40%) este obtinut pe baza fenomenul de reflexie interna
multipla in cavitate, asigurandu-se astfel absorbtia radiatiei cu =1,06 m intr-un strat
subtire de siliciu de Si (<10 m ).
La realizarea fotodetectorului cu microcavitate optica s-au utilizat plachete de Si -
epitaxial de tip crescut pe substrat n+ ( plachete epitaxiale de tip /N+) cu orientarea
cristalografica <111> si grosimea totala de ~300 cu urmatoarele caracteristici ale
stratului - strat activ optic: grosimea ( 30-50 ) m si rezistivitatea (80-130 ).cm.
In continuare este descris fluxul tehnologic de realizare a fotodetectoarelor cu
microcavitate optica cu pereti reflectanti cu mentionarea principalelor etape si
prezentarea de sectiuni transversale prin structura dupa fiecare etapa , figura 2.4
a,b,c,..l.
Pentru realizarea fotodetectorului cu microcavitate s-a utilizat un set format din 6
masti pentru procesele de fotolitografie si anume:
M1 - masca pentru difuzia n+(fosfor) defineste regiunile in stratul epitaxial de
rezistivitate mare n in care se realizeaza difuzia de plusare pentru contactarea
catodului fotodiodei;
M2 - masca pentru difuzia p+
defineste regiunile unde se realizeaz inelul de garda
prin difuzia borului la o adancime de ~ 2m in scopul prevenirii strapungerii
jonctiunii superficiale in regiunea de curbura;
M3 - masca pentru implantarea p+
defineste regiunea unde se realizeaza difuzia
pentru obtinerea regiunii optic active si anume anodul fotodetectorului. M3 va fi
utilizat si in secventa 8 a procesului pentru definirea regiunii de depunere a stratului
antireflectant (AR);
M4 - masca pentru deschiderea ferestrelor de contact in vederea depunerii metalului;
M5 - masca cu dubla aliniere ( fata-spate) pentru realizarea microcavitatii in dreptul
regiunii active a fotodetectodului;
M6 - masca pentru definirea regiunilor de metal .
Principalele etape ale acestui proces sunt:
1. Oxidare initiala - cu parametrii: t = 120min., T = 1100oC, in atmosfera de vapori de
apa.
S-a obtinut o grosime de oxid, xox = 9925 Å avand rol de mascare in procesul de
difuzie.
a)
2. Fotogravura cu M1 - pentru deschidere ferestre in oxid in vederea difuziei de fosfor
.
b)
3. Depunere fosfor si difuzie fosfor - cu urmatorii parametrii de proces: depunere la
T=8000C, t=15min. si V/I=12-14; difuzie la 1150
0C, t=20min. la o adancime de
~2m. Procesul a fost necesar pentru contactarea stratuului epitaxial n de
rezistivitate mare.
c)
4. Fotogravura cu M2 - deschidere ferestre in oxid pentru obtinerea inelului de garda
in scopul obtinerii unei tensiuni de strapungere a jonctiunii active ( jonctiune
superficiala) mai mare de 30V, valoare care asigura golirea totala de purtatori a
stratului optic activ.
d)
5. Depunere bor si difuzie bor - pentru obtinerea inelului de garda cu urmatorii
parametrii de proces: depunere bor la T=10000C, t=30min. si V/I=5,2 ; difuzie
la 11000C, t=15min. la o adancime de ~1,5m.
e)
6. Fotogravura cu M3 - deschidere ferestre in oxid pentru difuzie de bor
f)
7. Depunere bor si difuzie bor - pentru obtinerea jonctiunii optic active cu adancime de
0,5m avand urmatorii parametrii de proces: depunere bor la T=10000C, t=30min.
si V/I=5,2; difuzie la 11000C, t=5min. la o adancime de ~0,5m
g)
8. Fotogravura cu M3 - deschidere ferestre in oxidul care s-a depus pe aria optic activa
si depunere strat de SiO2 prin CVD cu grosimea de 205 nm cu rol antireflectant
pentru radiatia incidenta cu =1,06m.
h)
9. Fotogravura cu M4 - deschidere ferestre in oxidul de pe fata plachetei si inlaturarea
oxidului de pe spatele plachetei pentru depunere metalizare in scopul contactarii
anodului si catodului foto-diodei si mascarii in procesul de corodare izotropa pe spatele
plachetei. S-a depus Al in vid de 10-6
torr si 250C cu grosimea de 10 m peste care s-a
depus electrochimic un strat de aur de ~ 1m.
i)
10. Fotogravura cu dubla aliniere ( fata/spate) M5 - pentru efectuarea corodarii
izotrope si realizarea unei cavitati in dreptul ariei active a fotodetectorului. In procesul
de corodare izotropa (uniforma dupa toate directiile cristalografice ) s -a utilizat solutia
HF : HNO3: CH3COOH cu concentratia 8% : 75% : 17% care asigura o viteza de
corodare de 5 m /min pt. Si(111) . Grosimea stratului epitaxial de Si ramasa dupa
corodare este de ~20 m. Calitatea suprafetei
j)
corodate de pe spatele structurii este asigurata de caracteristicile procesului de corodare
a suprafata de Si [111] fapt pus evidenta si de rugozitatea foarte mica determinata din
prelucrarea imaginilor obtinute cu microscopia de forta atomica ( AFM ), fig. 2.5 a, b,c.
11. Depunere Au - Dupa obtinerea microcavitatii s-a depus un strat de Ti-Au de ~1m
in vid pentru asigurarea unei reflectivitati mari ( R>90%) radiatiei pe spatele
plachetei.
k)
12. Fotogravura cu M6 - pentru corodare metalizare de pe fata structurii si delimitarea
ariei optic active.
Sectiuni transversale prin structura de fotodetector co microcavitate optica pe si dupa
principalele etape ale proceselor ale fluxului tehnologic.
Utilizand fluxul tehnologic descris mai sus s-au realizat fotodetectoare cu microcavitate
optica cu pereti reflectanti optimizat pentru lungimea de unda de 1,06 m emis de
laserul cu cristal de YAG:Nd, destinat aplicatiilor de telemetrie laser.
Caracterizarea opto-electrica a pus in evidenta pentru structurile realizate
tensiuni de strapungere mai mari de 10V la un curent invers de 10 A , valoare care
asigura golirea stratului de siliciu de tip . Curentul de intuneric este sub 10 nA la
tensiune inversa de polarizare de 10V iar timpul de crestere al semnalului de fotocurent
la un puls laser rapid este
sub 0,5 ns. In figura 2.7 este reprezentata eficienta cuantica determinata din masuratori
de responsivitate a fotodiodei cu microcavitate optica realizata pe Si si a unei fotodiode
pin cu aceeasi grosime a stratului de tip .
Fig. 2.7. Eficienta cuantica a fotodiodei cu microcavitate optica – curba 1si a unei
fotodiode PIN cu aceeasi grosime de strat de absorbtie- curba 2.
Se observa ca la 1.06m este mult imbunatatita fiind mai mare de 40% fata de a
structura clasica de fotodioda PIN. Pentru =0.4 si d=20m corespunde o banda de
frecventa cu largimea > 2GHz ( f3-dB=0.45 vnd ).
O alta modalitate de realizare a fotodetectoarelor cu microcavitate consta in
integrarea unei microcavitati de tip Fabry-Perot cu o fotodioda pe acelasi substrat de
material semiconductor. In figura 2.8. este prezentata o cavitate Fabry-Perot integrata
cu o fotodioda cu jonctiune p-n pe substrat de siliciu cu orientarea cristalografica
<111>.
b) Fotodetector cu microcavitatea optica realizata deasupra jonctiunii pn.
Fig. 2. 8. Structura de fotodetector cu microcavitate de tip Fabry-Perot integrata pe
substrat de siliciu.
Acest dispozitivul contine o membrana din SiO2 suspendata cu ajutorul a patru
brate de sustinere si o fotodioda cu jonctiune p-n. Suprafata superioara a platformei este
acoperita cu un strat metalic ( Au) si constituie una din oglinzile cavitatii Fabry-Perot.
Oglinda inferioara a cavitatii este interfata siliciu-aer. Dispozitivul poate fi utilizat in
doua moduri:
1. ca un fotodetector acordat la o anumita lungime de unda, lungime de unda
determinata de conditiile de rezonanta ale microcavitatii (in acest caz distanta dintre
oglinzi este mentinuta fixa);
2. ca un modulator comandat in tensiune utilizat pentru reglarea intensitatii unei
surse monocramatice (in acest caz, distanta dintre oglinzi este variata).
In ambele cazuri, fotodioda cuplata cu microcavitatea este utilizata pentru
detectia luminii transmise de aceasta. Modelarea si optimizarea dimensiunilor
microcavitatii functie de lungimea de unda a radiatiei incidente se face utilizand
relatiile (2.7)-(2.10), deduse in primul subcapitol si parametrii de materiali
corespunzatori. Radiatia transmisa printr-o cavitate Fabry-Perot, in cazul in care
distanta dintre oglinzi este fixa, cand radiatia incidenta este monocromatica , depinde de
lungimea de unda a radiatiei si de lungimea efectiva a cavitatii [2.14]. In cazul structurii
din fig.2.8, drumul optic este data de distanta (d) dintre suprafata siliciului si
membrana de SiO2 (d naer) plus grosimea stratului de SiO2 1,46. Intensitatea radiatiei
transmise catre fotodioda va maxim când lungimea drumului optic a cavitatii este egala
cu un multiplu de /2. Daca se aplica o tensiune intre cele doua oglinzi ale cavitati, ca
in fig. 2.8, apare o forta de natura electrostatica care produce deplasarea oglinzii
mobile. Forta electrostatica care actioneaza asupra membranei se poate exprima simplu
functie de tensiunea aplicata si dimensiunile cavitatii considerand ca microcavitate
optica in urma polarizarii electrice se comporta ca un condensator plan cu o armatura
mobila. Astfel forta electrica va fi Fe = ½ V2 A (d)
-1/2, unde V este tensiunea
aplicata, permitivitatea electrica a mediului ( in cazul nostru aer), A este aria
membranei si d variatia distantei dintre oglinzi cand se aplica tensiunea. Astfel,
lumina modulata detectata de fotodioda va oscila intre un minim si un maxim, deoarece
lungimea drumului optic a cavitatii se modifica functie de tensiunea aplicata V.
In fig. 2.9 este data variatia fotocurentului functie de valoarea tensiunii de
modulare pentru un dispzitiv integrat cu a aria platformei de SiO2 de 100x100 m2,
distanta platforma-siliciu 1 mm (fara polarizare pe dispozitiv), radiatie incidenta avand
= 830nm . Tensiunea inversa aplicata pe fotodioda se mentine fixa. Pentru o valoare a
tensiunii Vm de 7.37 V, platforma atinge suprafata siliciului, deci cresterea ulterioara a
tensiunii de modulatie nu mai poate produce variatia fotocurentului.
Fig. 2.9. Fotocurentul modulat prin aplicarea unei tensiuni de modulare pe oglinda
superioara a microcavitatii .
Realizarea dispozitivelor de detectie cu microcavitate optica pe materiale
semiconductoare se bazeaza pe parcurgerea a trei etape principale:
( i ) - realizarea fotodetectorului cu jonctiune p-n prin procedee tehnologice
clasice (difuzie sau implantare de impuritati urmata de fifuzie);
( ii) - obtinerea microcavitatilor semiconductoare cu dimensiuni foart bine controlate
prin tehnici de corodare anizotropa a siliciului;
( ii ) - realizarea de depuneri reflectante si antireflectante pe peretii
microcavitatii.
Tehnologia de realizare a fotodetectoarelor cu jonctiune p-n in Si si a depunerilor
de straturi reflectante si antireflectante a fost prezentata si in capito lele anterioare . In
continuare se vor prezenta specifice legate de realizarea microcavitatii prin corodarea
anizotropa a siliciului monocristalin (tehnologie MEMS).
Principalele etape ale procesului tehnologic de obtinere a microcavitatii prin
corodare anizotropa sunt:
1. Oxidare pentru mascare prin Si O2 de 1m;
2. Fotolitografie cu masca ce delimiteaza dimensiunile microcavitatii;
3. Corodarea oxidului termic din ferestre;
4. Precorodarea izotropa in solutie apoasa de HNO3 : CH3COOH : HF in proportia
25:10:3 pentru initierea corodarii anizotrope;
5. Corodare anizotropa in solutie de KOH.
Pentru experimentari s-au utilizat plachete de Si <111> de tip n cu rezistivitatea de 3-5
cm, 330 m grosime si cu diametrul de 3 inch. S-au experimentat concentratiile de
45% si 20% iar temperatura de corodare a fost de 80C. Rezultatele obtinute constituie
o baza pentru cercetarea si dezvoltarea de noi dispoziteive multifunctionale bazate pe
integrarea a microcavitatii semiconductoare cu pereti reflectanti cu un dipozitiv de
detectie. In fig.2.10 este prezentata o microcavitate obtinuta prin corodarea siliciului
<111> vazuta la microscopul electronic.
Figura 2.10. Imagine SEM a unei microcavitati realizata in Si (111) .
Se observa fereastra obtinuta prin corodare izotropa si extinderea corodarii sub
stratul de oxid in planul vertical fiind de limitata de planul (111) .