[論文レビュー] Spectral Response of Al/Si Photodiode as IR Sensor

Irzaman Irzaman, Abdulloh Fuad+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2001

Thermography and Photoacoustic Techniques参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、赤外線（IR）センサーとしての用途を想定し、真空蒸着法で作製されたアルミニウム/ケイ素（Al/Si）フォトダイオードのスペクトル応答を調査した。200 Hzのチョッパー周波数で25 μW/cm²の入射光を照射した条件下で、ピーク感度は981 nmで、量子効率は6.16%、電流感度は0.488 nA/μW/cm²を示した。これにより、ACモード測定を用いることで800–1000 nmの波長範囲において効果的な赤外線検出が可能であることが示された。

ABSTRACT

Al/Si photodiode were prepared by successive of deposition of Aluminum thin films on p-type Si (100) using coprecipitation method by evaporator in vacuum 2.0E-4 torr. The measured signals are attributed to a spectral response, which appears in the studied photodiode. The photodiode Al/Si is sensitivity over a broad range of IR wavelengths from 800 to 1000 nm, when illuminated with discontinuous light at chopper frequency 200 Hz. The spectral response distribution that sensitivity peaks appear when the measurement was performed using the ac mode. The peak was at 981 nm, the incident radiation power (Pi) at the surface was 25 microwatt/cm2, the current signal (Ip) was 12.2 nA, the quantum efficiency was 6.16 % and the current sensitivity was 0.488 nA/microwatt/cm2.

研究の動機と目的

• 実用的なセンシング応用を想定し、Al/Siヘテロジャンクションを用いた低コストで広帯域の赤外線フォトダイオードの開発を目的とする。
• さまざまな赤外線照射条件下におけるAl/Siフォトダイオードのスペクトル応答を特徴づけることを目的とする。
• 信号対ノイズ比を向上させるためにACモード測定を用いることで、検出性能を最適化することを目的とする。
• 近赤外領域における量子効率や電流感度といった主な性能指標を特定することを目的とする。
• Al/Siフォトダイオードが産業的・環境モニタリング用途における実用的かつ効果的な赤外線センサーとしての可能性を検証することを目的とする。

提案手法

• アルミニウム薄膜を、圧力2.0 × 10⁻⁴ torrの真空蒸着法を用いてp型シリコン（100）ウェーハ上に堆積させた。
• Al/Siヘテロジャンクションを形成するために、共沈殿法を用いてフォトダイオード構造をプロセスした。
• ACモード検出を可能にするために、チョッパー周波数200 Hzで断続的な照明条件下でスペクトル応答を測定した。
• 感度分布を特定するために、入射波長関数としての電流応答（Ip）を測定した。
• 測定された光電流および入射光パワー（Pi = 25 μW/cm²）から、量子効率および電流感度を計算した。
• ノイズ環境下での信号検出を向上させるために、ロックインアンプを用いて測定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Al/Siフォトダイオードが赤外線センサーとして使用される場合、どの波長範囲でスペクトル応答を示すか？
• RQ2 近赤外領域において、フォトダイオードが最大感度を示す波長は何か？
• RQ3 ACモード測定は、フォトダイオード応答の検出可能性および信号対ノイズ比にどのように影響するか？
• RQ4 標準照射条件下におけるAl/Siフォトダイオードの量子効率および電流感度はそれぞれどの程度か？
• RQ5 Al/Siヘテロジャンクションは、800–1000 nm範囲において低コストかつ効率的な赤外線センサーとして機能できるか？

主な発見

• Al/Siフォトダイオードは、800 nmから1000 nmまでの広範な赤外線範囲で顕著な感度を示した。
• ピークスペクトル応答は981 nmで観測され、この波長で最適な検出効率が達成されていることを示した。
• 25 μW/cm²の入射放射パワー下で、フォトダイオードの量子効率は6.16%に達した。
• 電流感度は0.488 nA/μW/cm²で測定され、単位パワーあたりの強い光電流生成が確認された。
• ACモード検出を用いることで信号の明瞭さが向上し、981 nmで明確なピーク応答が識別可能となった。
• 測定可能な再現性のある光電流出力が得られたことから、本デバイスは機能的赤外線センサーとしての可能性を裏付けた。