Silicon PIN-diodes with gate induced passivation : fabrication and characterisation

Abstract

Silicon PIN diode has been common and efficient configuration for detector purposes for long time. In order to reduce the dead layer on top of the detector, PIN diodes with induced passivation were fabricated and characterised. The induced junction was created on n-type high resistivity silicon by taking advantage of field effect passivation achieved with charged oxide, Al2O3 in this case. Gates were fabricated on top of the diodes to control the charge on the silicon surface. Two transparent gate materials were tested: graphene and indium tin oxide (ITO). The gated diodes were compared to other types of diodes fabricated on the same wafers. The diodes were characterised with four measurement techniques: current-voltage (IV), capacitance-voltage (CV), transient current technique (TCT) and radiation measurements. In IV measurement it was demonstrated that it is possible to change the state in the diode with gate biasing. The leakage current level was few nA/cm^2 and the detectors showed response to visible light and gamma radiation.

Pii PIN diodi on ollut yleinen ja tehokas rakenne ilmaisinsovelluksissa jo pitkän aikaa. Ilmaisimen pinnalla olevan kuolleen kerroksen ohentamiseksi valmistettiin ja karakterisoituun PIN diodeja indusoidulla passivoinnilla. Indusoitu liitos valmistettiin n-tyypin korkean resistiivisyyden piille hyödyntäen varautuneen oksidin, tässä tapauksessa Al2O3:n, aiheuttamaa kenttäpassivointia. Diodien päälle valmistettiin hilat, joilla oksidin varausta voidaan säädellä. Kahta läpinäkyvää hilamateriaalia testattiin: grafeenia ja indiumtinaoksidia (ITO). Hilallisia diodeja verrattiin muihin diodityyppeihin samoilla kiekoilla. Diodeja karakterisoitiin neljällä eri mittaustekniikalla: virta-jännite (IV), kapasitanssi-jännite (CV), muutostilan virtaa mittaavalla menetelmällä (TCT) ja säteilymittauksilla. IV mittauksilla osoitettiin, että diodin tilaa on mahdollista muuttaa syöttämällä jännitettä hilaan. Vuotovirran taso oli muutamia nA/cm^2 ja ilmaisimet osoittivat vastetta näkyvälle valolle ja gammasäteilylle.