Near infrared detectors based on silicon supersaturated with transition metals

Resumen

Esta tesis describe la investigación basada en sustratos de Si supersaturados con Ti, buscando extender la fotorrespuesta del Si hacia energías menores que las del bandgap a temperatura ambiente. Partiendo de obleas de Si cristalino, éstas fueron modificadas mediante implantación iónica con átomos de Ti en muy altas concentraciones (supersaturación). Seguidamente, y para recuperar la calidad cristalina perdida durante la implantación iónica, se recocieron las muestras con un proceso láser pulsado. Si la concentración de átomos de Ti en el seno de la red del silicio es lo suficientemente alta, se podría formar una banda de estados permitidos entre la de valencia y la de conducción, denominada banda de impurezas. Así, sería posible absorber fotones con energía menor que la del bandgap del silicio. El objetivo de esta tesis es la integración del material de Si supersaturado con Ti en una ruta comercial de cámaras CMOS, orientadas a la detección en el infrarrojo cercano y próximo, es decir, entre 0.7-3.0 micras. Actualmente, diversas aplicaciones requieren de sensores de IR más baratos y con mayor resolución. Un material basado en silicio, podría ofrecer alternativas más competitivas en comparación a las tecnologías actuales, las cuales no cumplen con uno o más de los siguientes requisitos: compatibilidad con una ruta CMOS (que afecta al precio), operación a temperatura ambiente, rápida respuesta, alta escalabilidad, respeto al medioambiente y materiales abundantes. Hasta la fecha, se emplean materiales como el Ge e InGaAs, los cuales son considerablemente más caros que tecnologías basadas en Si. Así pues, en esta tesis se diseñaron y fabricaron los primeros prototipos de escala micrométrica en la UCM, los cuales arrojaron resultados prometedores, con fotorrespuesta, a temperatura ambiente, hasta los 0.45 eV. Se demostró que se podía emplear el Si supersaturado con Ti en escalas micrométricas, con detección en el rango NIR y SWIR, a temperatura ambiente. Posteriormente, se buscó un colaborador en el ámbito industrial, STMicroelectronics (Francia) con el que se integró el material supersaturado en una ruta de fabricación de cámaras CMOS, a través de una estancia predoctoral de 6 meses en sus instalaciones. En un estadio previo, se encontraron empresas que pudieran implantar Ti (Ion Beam Services) y posteriormente recocer obleas de 300 mm con láser (SCREEN-LASSE). Previo a la estancia, fue necesario fabricar nuevas muestras de Ti en la UCM, con objeto de caracterizar el nuevo proceso láser de SCREEN-LASSE. Se buscó la optimización de la eficiencia cuántica, en función de la dosis de Ti y fluencia del láser. Durante la estancia en STMicroelectronics, se escogió una estructura de píxel iluminado por la cara trasera. Se diseñó y desarrolló una ruta de integración, que fue llevada a cabo en sus instalaciones. Las obleas fabricadas se caracterizaron a nivel de material (obleas de referencia) y de dispositivo. El conocimiento adquirido de las obleas de referencia fue empleado para fabricar los dispositivos finales. Los píxeles supersaturados con Ti mostraron QE ligeramente por debajo de los no implantados en el rango 500-1000 nm. Se espera medir en energías por debajo del gap, con la colaboración del instituto CEA-LETI (Grenoble), hasta una energía de 0.77 eV. La integración del material supersaturado tuvo éxito: no hubo contaminación cruzada de Ti hacia los instrumentos ni otras obleas y el proceso de recocido láser fue compatible con la matriz de píxeles. Además, estos mostraron una alta uniformidad, lo cual demostró que el material supersaturado es plenamente compatible con una ruta CMOS. Este es el primer paso hacia la posible industrialización de este material, con fotorrespuesta en el rango infrarrojo próximo y cercano a temperatura ambiente.