Black Silicon for Photodiodes : Experimentally Implemented and FDTD Simulated

Williamson, Adam GND

Die hier vorgelegten experimentelle Ergebnisse zeigen die Herstellung von schwarzem Siliziumzur Anwendung in Photodioden im Bereich zwischen 200 nm und 800 nm durchPlasmabearbeitung. Berechnungen verschiedener Nano-strukturgeometrien mit der Finite-Differenzen-Methode im Zeitbereich (FDTD) werden mit Ulbricht-kugel Reflexionmessungenvon physikalischen Strukturen verglichen. Die spektrale Empfindlichkeit der schwazenSiliziumphotodioden im roten Bereich (675 nm – 750 nm) treffen das 0.5 A/W Ziel. Im blauenBereich (375 nm-425 nm) wird eine Verbesserung von Photodioden in der Wafermitte von +0.07A/W im Vergleich zu oxide-bedeckten Photodioden erreicht. Klare Unterschiede zwischenverschiedenen Spitzen der Nanostrukturen werden experimentell und theoretisch belegt. Sie sindentscheidend, um die Reflexion gering zu halten.Das Entstehen der Nanostrukturen in unserer SF6/O2 Plasmamischung wird durch dieSiliziumätzrate in Abhängigkeit von der Fluorkonzentration (mit einem veränderlichen Fuor-zu-Sauerstoff Verhältnis) in zwei Bereichen erklärt. In einem Bereich gibt es überschüssigeFluorradikalerzeugung (schwache Passivierung) und im anderen überschüssigeFluorradikalverbrauch (starke Passivierung). Dies wird experimentell gezeigt.Inhärente Ungleichmäßigkeiten in der Plasmaanlage, die ein kleines Prozessfenster mit extremanisotropischen Nanostrukturen und nachteiliger Mitte-zu-Rand Waferuniformitaet ergeben,werden durch die Einführung von einem Nanoloading Schritt beseitigt. Die Siliziumoberflächewird am Anfang mit einer Reihe von sehr uniformen Nanopfeiler geaetzt. Diese Nanoloading-Maske wird anschließend mit Chemikalien, die allein keine Nanostrukturen ergeben,plasmageätzt. Die entsprechenden Ergebnisse sind isotropischer und haben Eigenschaften, die fürReflexionsabsenkung erwünscht sind. Dadurch entwickeln wir eine Abkoppelung zwischen dieAbhängigkeit der erreichbaren Nanostrukturgeometrien und Plasmaanlagengeometrie.Erweitertes Nanoloading wird benutzt, um die Prozesse erfolgreich von blanken zu maskiertenScheiben zu transferieren.FDTD Ergebnisse zeigen, dass der größte Teil der Lichtabsorbtion im Bereich vom 200 nm zu800 nm direkt in der Antireflexschicht der Nanostrukturen stattfindet. Dies ist im starkenVergleich zu der Situation mit einer normalen Antireflexschicht. Weitere FDTD Simulationenuntersuchen die Periodizität von Nanostrukturen, und zeigen deutliche Gittereigenschaften. Dieideale Breite der Strukturen für Reflexionsabsenkung wird zwischen 100 nm und 200 nm iminteressanten Spektralbereich (200 nm - 800 nm) berechnet. Periodische Strukturen mit Breitenüber 200 nm reflektieren Licht in verschiedene Gitterordnungen. Die ideale Strukturhöhe fürvernachlässigbare Reflexion wird in diesem Bereich mindestens 500 nm. Allerdings, erweisensich die periodischen Stuktursimulationen nicht als die richtige Methode, um die UlbrichtkugelMessungen von physikalischen Strukturen zu beurteilen. Das Hauptproblem ist eine Überlappungzwischen Nanostrukturen (z.B. ungetrennt während eines Plasmaprozesses) stört die Zustände fürPeriodizität (die Diffraction in die Komponentwinkeln) entsprechend der Breite der Stukturen,und stoert auch die Gradient-brechungsindex (Dadurch ist Reflexion erhöht. FDTD Simulationenwerden am Besten in Übereinstimmung mit den Eigenschaften der physikalischen selbstorganisierten Nanostrukturen gebracht, wenn eine nichtperiodische Oberfläche mit einer simuliertwird.Randbedingungen für FDTD in Bezug auf Simulationen von nicht-senkrecht einfallendem Lichtin 2D werden diskutiert. Dispersion im Injektionswinkel führt zu Schwierigkeiten, wenn manRechnungen mit einer Breitbandquelle durchführen will, weil nur einfallendes Licht mit derzentralen Wellenlänge den vorgegebenen Einfallswinkel hat. Die größte und kleinste Wellenlängeim Quellspektrum zeigen die stärkste Abweichung. Alle Wellenlägen einzeln nacheinander zusimulieren würde zu einer nicht akzeptablen Rechenzeit führen. Die hier gezeigte Lösung teilt daskomplete gewünschte Spektrum, in kleinere simulierbare Bänder, und ergibt ausreichendeErgebnisse und schränkt gleichzeitig Dispersionsfehler ein. Weiterhin wird es hier gezeigt, dass6eine moegliche Verbesserung der winkel-abhängigen PML Leistung erreichbar ist, wenn einGradientindex vor der PML eingeführt wird.Es wird experimentell bewiesen, dass Reflexionsabsenkung nicht immer mit ausreichendenelektrischen Eigenschaften verbunden ist, weil das Plasmaätzen um die Oberflächentopographiezu ändern auch stark die Lebensdauer der Minoritätträger wegen eines Anstieges vonRekombination durch Gitterschädigung und einer allgemeinen Vergrößerung in Oberflächeändert.

The experimental results presented here show the creation of black silicon throughplasma processing and its subsequent implementation as an anti-reflective coating forphotodiodes in the range of 200 nm to 800 nm. Finite difference time domain (FDTD)calculations of various nano-structure geometries are compared to integrating sphere reflectionmeasurements of physical structures. The spectral sensitivity of manufactured black siliconphotodiodes in the red region (675 nm to 750 nm) meets the set 0.5 A/W target, while in the blueregion (375 nm to 425 nm) an improvement of +0.07 A/W over oxide covered diodes is achievedfor center cites. Clear separation between nano-structure tips is experimentally demonstrated asthe deciding factor to improve reflection suppression.The appearance of nano-structures on the silicon surface when processed in the SF6/O2plasma mixture is explained by generalizing the etch rate of silicon dependant on fluorineconcentration (with a varying fluorine to oxygen gas ratio) into two regions, one of excessfluorine generation (weakly passivating) and one of excess fluorine consumption (stronglypassivating). This is experimentally verified.Inherent non-uniformities of the plasma processing chamber which yield a small processwindow of extremely anisotropic nano-structures and a poor center-to-edge wafer uniformity areeliminated by the introduction of a nano-loading step. The silicon wafer surface is first etchedwith a set of highly uniform nano-pillars. The nano-loading mask is subsequently plasma etchedutilizing gas compositions that do not by themselves result in the appearance of nano-structureson the silicon wafer surface. This yields new less-anisotropic geometries with properties moredesirable for reflection suppression and decouples the dependence of attainable nano-structuregeometry on plasma chamber geometry. An extended nano-loading approach is successfullyapplied to transfer plasma processes from blank wafers to masked wafers.FDTD results show that the majority of light absorption in the spectrum from 200 nm to800 nm takes place within the silicon nano-structure antireflective coating, in contrast to thesituation encountered with a standard anti-reflective coating. The periodicity of nano-structures isinvestigated with FDTD and clear diffraction grating properties are demonstrated. The idealwidth of nano-structures for reflection suppression is calculated to be between 100 nm and 200nm for the light spectrum of interest (200 nm to 800 nm). Any periodic structure with widths over200 nm will begin diffracting light into non-specular angles. The ideal structure height iscalculated to be (at least) 500 nm. However, the periodic structure simulations do not prove to bethe most accurate way to evaluate the measured specular and diffuse components of real physicalstructures. The problem being that overlapping nano-structures (for example unseparated throughthe plasma etch process) disturb the conditions of periodicity (diffraction into component angles)corresponding to the structures overall width. FDTD simulations are best correlated to the opticalproperties of physical self-organized nano-structures (integrating sphere measurements ofspecular and diffuse components) when a non-periodic surface is simulated.Boundary conditions for the FDTD are discussed in the process of simulating non-normalincidence light on 2D structures. Dispersion in the injection angle for a simulation createsdifficulties in simulating broadband spectrums in a single simulation, as only the centerwavelength possesses the correct theta, while the smallest and largest wavelength in the incidentexperience the most extreme error in incident theta. Simulating each wavelength is not possible asit yields �incalculable� computational times. The solution provided breaks the desired spectruminto several smaller spectrums and gives satisfactory results while limiting the amount ofdispersive error.

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Williamson, Adam: Black Silicon for Photodiodes. Experimentally Implemented and FDTD Simulated. 2012.

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