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) .