Simulação e caracterização elétrica de dispositivos fotossensores implementados em tecnologia SOI

Abstract

Este trabalho apresenta uma análise das principais características de desempenho de fotodiodos PIN laterais implementados em tecnologia SOI de camada fina, quando iluminados por comprimentos de onda, na faixa entre azul e ultravioleta (UV), e submetidos a variações de temperaturas. Simulações numéricas bidimensionais foram realizadas para analisar características tais como corrente fotogerada, absorção, eficiência quântica e responsividade. Nesta análise foi considerada a influência da variação entre 40 nm e 500 nm da espessura da camada de silício (tSi) e do comprimento da região intrínseca (Li) entre 5 e 30 ?m para avaliação do desempenho do fotodiodo em diferentes comprimentos de onda, na faixa do azul e ultravioleta (UV). Foram estudados diferentes conjuntos de modelos físicos nas simulações, com o objetivo de reproduzir tendências reportadas na literatura. Através de medidas experimentais das intensidades de potências incidentes em função da distância, foram caracterizadas as fontes luminosas com o uso de diodos emissores de luz nos comprimentos de onda, ultavioleta UV (390 nm), violeta (410 nm) e azul (460 nm), adaptados para fornecerem a energia luminosa na região fotossensível dos fotodiodos experimentais também caracterizados para temperaturas entre 100 K e 400 K. As simulações mostram que há uma relação de dependência entre a espessura do filme de silício (tSi) e o comprimento de região intrínseca (Li), que quando avaliados e dimensionados simultaneamente possibilitam a otimização da eficiência quântica e da responsividade dos fotodiodos PIN SOI na definição da tecnologia para aplicações em comprimentos de ondas específicos. Os resultados mostram que eficiência quântica em torno de 28 % e responsividade em torno de 85 mA/W para uma dada tecnologia apresentaram a mesma tendência que os resultados experimentais, levando-se em conta a faixa de comprimento de onda e temperatura. Os resultados também mostram uma tendência quase linear da relação entre espessura do filme de silício (tSi) e a absorção (profundidade de penetração da luz), de modo que, em espessuras mais finas de filme de silício o dispositivo será mais seletivo para comprimentos de ondas baixos, ou seja, mais próximos a UV

This work presents an analysis of the main performance characteristics of lateral PIN photodiodes implemented in thin layer SOI technology, when illuminated by wavelengths, in the range between blue and ultraviolet (UV), and subjected to temperature variations. Twodimensional numerical simulations were performed to analyze characteristics such as photocurrent, absorption, quantum efficiency, and responsivity. In this analysis, the influence of the variation between 40 nm and 500 nm of the silicon film thickness (tSi) and the intrinsic length region (Li) between 5 and 30 ?m was considered to evaluate the performance of the photodiode at different wavelengths, in the range blue and ultraviolet (UV). Different sets of physical models were studied in the simulations, to reproduce trends reported in the literature. Through experimental measurements of the intensities of incident powers as a function of distance, light sources were characterized using light-emitting diodes at wavelengths, UV (390 nm), violet (410 nm), and Blue (460 nm), adapted for providing light energy in the photosensitive region of experimental photodiodes also characterized for temperatures between 100 K and 400 K. The simulations show that there is a dependency relationship between the silicon film thickness and the intrinsic length region (Li), that when evaluated and scaled simultaneously it is possible to optimize the quantum efficiency and responsivity of the PIN SOI photodiodes in the definition technology for specific wavelength applications. The results show that the quantum efficiency around 28 % and responsiveness around 85 mA / W for a given technology showed the same trend as the experimental results, taking into account the wavelength and temperature range. The results also show an almost linear trend in the relationship between silicon film thickness (tSi) and absorption (light penetration depth), so that, in thinner silicon film thickness, the device will be more selective for low wavelengths, that is, closer to UV