Фотоприемники из кремния с резонансной полостью для поляриметрического обнаружения в ближнем инфракрасном диапазоне

Фон

В связи с быстрым развитием оптической связи растет потребность в разработке поляриметрических фотодетекторов (ФД) в ближнем инфракрасном диапазоне (БИК) по невысокой цене. Хотя соединения III-V, такие как GaAs / InGaAs, и соединения II-VI, такие как TeCdHg, были наиболее успешным вариантом для PD в последние десятилетия из-за их относительно больших коэффициентов поглощения [1,2,3,4,5], сложность роста и высокая стоимость производства всегда являются самой большой проблемой для общих приложений. В частности, еще предстоит пройти долгий путь до того, как поляриметрическое обнаружение будет реализовано с помощью PD в III-V и II-VI. Кремний, являющийся основным материалом полупроводниковой промышленности, в последние годы превратился в оптоэлектронные устройства благодаря своим отличным оптическим и электрическим свойствам [6,7,8], хорошо отработанному процессу и высокой совместимости с разработанной КМОП-технологией [9]. . Более того, недавние достижения в кремниевой фотонике [10, 11] предлагают многообещающий путь к реализации новой формы PD путем интеграции кремниевых нанопроволочных детекторов [12, 13] с фотонными структурами для нового применения, такого как поляриметрическое детектирование.

Основываясь на нашем более раннем успехе в разработке ФД на основе Si нанопроволок (Si NW) [12], в этой статье далее предлагается новая форма полностью кремниевых фотоприемников путем интеграции субволновой металлической решетки с кремниевыми нанопроволочками для достижения поляриметрического детектирования в ближней инфракрасной области (NIR). ) длины волн. Для выполнения этой задачи необходимо решить следующие три проблемы. Во-первых, обычные ФД на основе кремниевых нанопроволок работают в видимом диапазоне длин волн (0,4–0,7 мкм), поэтому необходимо перевести детекторы из кремниевых нанопроволок в ближний ИК-режим [13,14]. Во-вторых, для поляриметрического обнаружения в детектор необходимо встроить миниатюрный оптический поляризатор. В-третьих, из-за низкого коэффициента поглощения Si в ближней инфракрасной области спектра желательна светособирающая структура для повышения чувствительности. Чтобы удовлетворить все эти требования, в этой работе была разработана новая структура устройства на кремнии, которая состоит из субволновой металлической решетки в качестве поляризатора, массива кремниевых нанопроволок с определенной высотой для сбора света и, наконец, поверхностного плазмонного резонатора для выбора длины волны и для излучение и диффузия горячих электронов [15,16,17,18,19,20] через барьер Шоттки на границе раздела Au / кремний для создания дополнительного фототока при освещении. Эта основанная на резонансном резонаторе стратегия не только расширяет край полосы Si в ИК-режим, но также расширяет полосу пропускания фотоотклика с помощью чувствительного к поляризации детектирования. В этом документе сообщается о нашем недавнем прогрессе в решении всех этих проблем.

Методы / экспериментальные

Дизайн детекторов поляризации All-Si

На рис. 1а представлена ​​принципиальная схема устройства. Массивы Si нанопроволок с шагом 400 нм и высотой ( H ) от 100 до 300 нм были изготовлены на кремниевой подложке с легким легированием n-типа (толщина 500 мкм, 1–10 Ом · см) обычным способом сухого травления. На границе раздела металлическая решетка-полупроводник (МС) был установлен барьер Шоттки. На рисунке 1b показан поверхностный плазмонный резонатор между верхним и нижним металлическими слоями, окружающий Si ННК.

Принципиальная схема резонаторного настроенного фотоприемника МС на кремнии и его фотоэлектронный принцип. а , b Схема детектора. c , d Энергетический диапазон для простого МС-перехода при ИК-освещении с постоянным смещением и без него. е Схема, показывающая внутреннюю эмиссию горячих электронов из поверхностных плазмонов

На рис. 1c и d представлены диаграммы изгиба зон в Si вблизи границы раздела MS при освещении без или с постоянным смещением соответственно. Оптоэлектроны генерировались только тогда, когда энергия фотонов удовлетворяла hν > E _г , где h - постоянная Планка и E _г - ширина запрещенной зоны Si, соответствующая обнаружению в видимом диапазоне длин волн. Однако, как показано на рис. 1e, горячие электроны, генерируемые за счет эффекта внутренней фотоэмиссии (IPE) [10, 11, 15] поверхностными плазмонами в металлическом слое, могут диффундировать к подложке Si и проходить через барьер Шоттки в качестве дополнительной фотографии. -ток, позволяющий обнаруживать в ближнем инфракрасном диапазоне. Кроме того, в этом сценарии субволновая Au-решетка на вершине нанопроволоки действует как поляризатор, а также как резонатор, настраивающий длину волны обнаружения, определяемую размерами структуры.

Моделирование FDTD

Чтобы оптимизировать структуру устройства для поляриметрического детектирования с высокой квантовой эффективностью в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн, систематически проводилось трехмерное моделирование во временной области (FDTD) с использованием программного пакета Lumerical. В моделировании периодическое граничное условие вдоль x и y и идеально согласованные слои по z направление были приняты. Плоская волна с модой TM параллельно x -ось, действующая как источник оптической стимуляции, распространялась в направлении z. Толщина, ширина и шаг Au-решетки установлены равными 85 нм, 200 нм и 400 нм соответственно. Монитор отражения был помещен в верхней части области моделирования, а монитор пропускания был помещен в нижней части подложки Si. Спектры оптического поглощения устройства были получены по измеренному отражению ( R ) и передачи ( T ), используя A =1- R - Т .

Изготовление устройства

Нано-изготовление оригинального фотодетектора металл / полупроводник было выполнено с использованием процесса, основанного на электронно-лучевой литографии. На кремнии n-типа (1–10 Ом · см, ориентация <100>) сначала было нанесено покрытие из ПММА толщиной 300 нм, поставляемое Micro-Chem Ltd., с последующим мягким запеканием на горячей плите в течение 12 месяцев. мин при 180 ° C. После экспонирования электронным пучком с помощью записывающего устройства JEOL 6300FS экспонированный резист проявлялся в растворе MIBK / IPA (1:3) при 23 ° C в течение 60 секунд, после чего тщательно промывался в растворе IPA в течение 15 секунд. Для удаления естественного оксида кремния применялось влажное травление в HF с 2% -ным буфером. Образцы сразу переносили в термический испаритель для осаждения 2 нм Cr / 70 нм Au. Cr 2 нм имеет решающее значение для определения высоты барьера Шоттки и прилипания решеток Au к кремнию. Затем нежелательный материал удаляли в ацетоне при 60 ° C. Наконец, образец был промыт большим количеством изопропанола и высушен сжатым N ₂ . . На этом этапе была сформирована большая контактная площадка с квадратным окном. Затем верхний электрод, имеющий вид субволновой решетки из Cr / Au, был уложен в квадратное окно и соединен с контактной площадкой, используя технику регистрации, посредством того же процесса, который описан выше. Используя узорчатую металлическую структуру в качестве маски для травления, было выполнено реактивное ионное травление (RIE) в плазме на основе фтора в травителе Samco для формирования нанопроволок Si. Наконец, на все устройство была нанесена пленка Au толщиной 15 нм, чтобы сформировать резонансную полость, как показано на рис. 1b.

Фотоэлектрические характеристики

Фотоэлектронные свойства изготовленных детекторов систематически охарактеризованы на длине волны 0,7–1,1 мкм с использованием стандартной оптоэлектронной установки. Источник света был откалиброван измерителем мощности, поставляемым OPM 35S Ltd.

Результаты и обсуждение

На рис. 2a – d схематически изображено двухмерное поперечное сечение конструкции устройства. Чтобы понять механизм работы, четыре типа структур устройства:плоская поверхность Si, окруженная контактной площадкой на подложке Si (Str. 1 на рис. 2a), решетка Au на поверхности Si (Str. 2 на рис. 2b). , Au-решетка, за которой следует 210 нм- H Проведено сравнение Si NW (Str.3 на рис. 2c) и настроенного на резонатор устройства (Str.4 на рис. 2d). Смоделированные спектры пропускания, отражения и поглощения показаны на рис. 2e – g соответственно. Распределения электрического поля в приборе с высотой Si ННК 210 нм были рассчитаны для света с длиной волны 860 нм. На рис. 2h (i – iii) показаны результаты для устройства Str.2, Str.3 и Str.4 соответственно.

Диаграммы для четырех устройств, исследованных в этой работе, и результаты моделирования FDTD этих устройств. а Стр.1:планарная подложка Si. ( б ) Ул. 2:Au-решетка на верхней части Si-подложки. ( c ) Ул. 3:Au-решетка на вершине массива Si ННК. ( д ) Стр.4:полностью изготовленный детектор с решеткой из золота сверху и снизу массива Si ННК. е - г Результаты моделирования спектров пропускания, отражения и поглощения через четыре структуры соответственно. ч Результаты моделирования распределений электрического поля в трех структурах, как показано на b , c , и d соответственно, а длина волны падающего света составляет 860 нм

Результаты моделирования, представленные на рис. 2e и g, отображают чрезвычайно интересную картину процесса пропускания / поглощения света в предлагаемом фотодетекторе на длине волны 0,7–1,1 мкм. Хотя это устройство освещалось TM-поляризованным светом (E-поле перпендикулярно направлению NW), пропускание через плоский кремний для Str.1 (рис. 2a) в основном превышает 50%, что соответствует низкому поглощению Si, поскольку ожидал. Добавление Au-решетки на плоскую поверхность кремния, как показано на структуре Str.2 (рис. 2b), как раз приводит к снижению пропускания на 10–20%. Для структуры фотодетектора (Str.4), показанной на рис. 2d, пропускание на 0,7–0,8 мкм значительно улучшено, даже по сравнению с пропусканием через плоский кремний (причину еще предстоит исследовать). Однако более поразительной особенностью является то, что пропускание и отражение (рис. 2f) на длинах волн 0,825–0,875 мкм значительно уменьшаются для 210 нм- H , а поглощение значительно выше, чем в других структурах. Физическая картина такого увеличения поглощения может быть объяснена резонансными модами в полости Фабри-Перо, образованными двумя металлами сверху и снизу, рядом с нанопроволоками Si. Сильное электрическое поле, существующее между верхним и нижним слоями Au, как показано на рис. 2h (iii) при моделировании FDTD на длине волны 860 нм, соответствует резонансным модам поверхностных плазмонов. Считается, что поглощение резонансной энергии было преобразовано в генерацию горячих электронов в металлических слоях посредством распада плазмона с высокой эффективностью. Такая замечательная характеристика поглощения закладывает прочную основу для нового обнаружения фотоэлектронов в ближней инфракрасной области спектра с помощью разработанного детектора с барьером Шоттки на основе Au / Si. В частности, рис. 2g также показывает, что настроенный на резонатор фотодетектор демонстрирует поглощение с полной шириной на полувысоте (FWHM) до 300 нм.

Кроме того, для обнаружения поляризации металлическая решетка субволновой длины на верхней части Si нанопроволок также является поляризатором, преобразуя падающий свет в TM поляризованный. Поляризационные характеристики были также исследованы путем расчета спектра поглощения для разработанной резонаторной структуры на рис. 2г. На рис. 3а представлены угловые спектры поглощения в диапазоне 0,7–1,1 мкм при высоте нанопроволоки ( H ) составляла 210 нм, где 0 ° соответствует поляризации параллельно y -ось. Трехмерный график зависимости поглощения от угла поляризации и длины волны на фиг. 3a показывает, что максимальное поглощение происходит на длине волны 860 нм, что согласуется с положением пика на фиг. 2g. Строго периодическое изменение поглощения с углом поляризации на рис. 3б приводит к коэффициенту растяжения (пик / впадина) ~ 17:1. Чтобы еще больше улучшить это соотношение, необходимо оптимизировать профиль решетки.

Теоретические результаты поляризационных свойств фотоприемника с поверхностным плазмонным резонатором. а Поляризационная зависимость спектров оптического поглощения при разном угле поляризации. Угол поляризации 0 ° определялся вдоль направления Au-решетки. б Интенсивность поляризационно-зависимого поглощения при длинах волн 860 нм

На рис. 4 показаны изготовленные структуры четырех типов:контактная площадка на плоской подложке Si с квадратным окном (рис. 4а), решетка Au - плоский Si, зарегистрированный в квадратном окне (рис. 4b), решетка Au - Si Устройство NW (рис. 4c) и устройство окончательной настройки резонатора (рис. 4d) соответственно. Габаритные размеры компоновки устройства сверху составляют 200 мкм × 100 мкм, а размер квадратного окна - 80 мкм × 80 мкм. В соответствии с дизайном, линии и промежутки Au-решетки составляют 200 нм и 400 нм соответственно. Отжиг устройств в газообразном азоте при 350 ° C в течение 10 мин был предпринят с целью уменьшения поверхностных дефектов на нанопроволоках [21, 22].

Микрофотографии на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) изготовленных МС фотоэлектронных детекторов. а Стр.1:обзор устройства только с контактной площадкой. б Стр.2:Au-решетка-планарный Si, расположенный внутри квадратного окна. c Стр.3:вид в разрезе устройства ННК Au-решетка-Si. г Стр.4:вид в разрезе окончательно изготовленного устройства с резонансными полостями

На рисунке 5а показано напряжение-ток ( I - V ) кривые, снятые с четырех различных устройств при освещении 16,6 мВт / см ² на длине волны 860 нм соответственно. При отрицательном смещении постоянного тока от верхнего электрода к кремниевой подложке, фотодетектор на основе поверхностного плазмонного резонатора (Str.4) с 210 нм- H демонстрирует увеличение тока на порядок, что является самым высоким фототоком среди четырех устройств, несмотря на то, что токи протекания в положительном смещении совпадают друг с другом. По сравнению с устройством ННК Au-решетка-Si (Str.3), устройство с настройкой на резонатор (Str.4) реализует больший ток при освещении, что показывает наличие дополнительного фототока, вызванного дополнительной структурой металлической пленки (Рис. . 1e).

Результаты измерений, полученные с изготовленного полностью кремниевого детектора. а Легкий логарифмический I - V кривые при интенсивности освещения 16,6 мВт / см ² . б Темный логарифмический I - V кривые. c Спектры чувствительности при смещении - 2 В и интенсивности света 16,6 мВт / см ² . г Зависимость чувствительности от смещения для длины волны 860 нм при интенсивности 16,6 мВт / см ²

Я - V Характеристики в темноте дополнительно анализируются с использованием модели термоэлектронной эмиссии [10, 23]. Ток термоэлектронной эмиссии определяется как:\ (I ={AA} ^ {\ ast} {T} ^ 2 \ exp \ left (- \ frac {q {\ Phi} _B} {kT} \ right) \ left [ \ exp \ left (\ frac {qV} {nkT} \ right) -1 \ right] \), где A площадь контактного перехода, A * - постоянная Ричардсона (≈ 112 А см ⁻² К ⁻² для n-типа Si), T - температура, Φ _B высота барьера Шоттки, k постоянная Больцмана, q электронный заряд, n - коэффициент идеальности, а V падение напряжения на переходе. Φ _B и н может быть извлечен путем линейного подбора lg I - V в линейной области прямого смещения, как показано на рис. 5b. q Φ _B и н для резонаторно настроенного устройства (Str. 4) найдены 0,57 ± 0,016 эВ и 1,43 ± 0,028 с отрегулированным R ² 0,99644 соответственно. Коэффициент идеальности близок к 1, что указывает на то, что термоэлектронная эмиссия является основным механизмом тока. Поведение обратного смещения (- 2, 0) показано на вставке к рис. 5b, где показан самый низкий темновой ток (~ 27 нА), достигнутый в Str.4. Два фактора могут помочь уменьшить темновой ток:один - это увеличение сопротивления нанопроволоки, а другой - уменьшение проводимости из-за тонкого обедненного слоя на границе раздела между слоем Au толщиной 15 нм и кремнием.

Хорошо известно, что чувствительность ( R _λ ) является критическим параметром для оптических устройств, который можно определить как R _λ = Я _ph / PS , где I _ph фототок ( I _Свет - Я _Темный ), P - интенсивность освещения, S - общая площадь фотоэлектронного зондирования, которая представляет собой фактическую площадь всей компоновки, измеренную при виде сверху [12]. Как показано на рис. 5c, спектр чувствительности фотодетектора на основе резонатора (Str. 4) показывает максимум 0,386 А Вт ⁻¹ около длины волны 860 нм и 150 нм на полувысоте при смещении - 2 В. Такая пиковая чувствительность согласуется с максимальным поглощением, смоделированным методом FDTD, как показано на рис. 2g. Эти результаты еще раз демонстрируют существование плазмонных горячих электронов в металлическом слое. Однако остальные три устройства дают чувствительность 0,007 А Вт ⁻¹ . , 0,09 А Вт ⁻¹ , и 0,121 А Вт ⁻¹ , соответственно. Что еще более важно, пик не наблюдается на всех длинах волн 0,7–1,1 мкм. Кроме того, учитывая реакцию Фаулера [20], модифицированную спектром поглощения плазмонов S ( v ): R ( v ) = η _я ⋅ S ( v ) и \ ({\ eta} _i \ приблизительно {\ mathrm {C}} _ ​​F \ frac {{\ left (hv-q {\ phi} _B \ right)} ^ 2} {hv} \), который описывает количество «доступных» электронов в структуре с энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера [24,25,26,27]. Исходя из этого, подбирая экспериментальные характеристики Str. 4, как показано на рис. 5c лоренцевой линией для S ( v ), высота барьера Шоттки 0,578 ± 0,0127 эВ с отрегулированным R ² 0,94611, что аналогично упомянутому выше 0,57 эВ и указывает на то, что основным механизмом обнаружения является IPE. В качестве дополнительного преимущества этот фотодетектор на основе резонатора обеспечивает значительную настройку фототока за счет приложения к устройству отрицательного смещения, предлагая хороший контроль чувствительности, как показано на рис. 5d. Он также показывает значительную чувствительность 0,146 А / Вт при смещении 0 В.

Характеристики отклика оптоэлектронов для изготовленного устройства демонстрируют, что разработанный фотодетектор может работать в ближней ИК-области. Экспериментальное сравнение фотоэлектронной чувствительности между устройствами с резонатором и без него дает нам убедительные доказательства резонансного поглощения света в ближнем ИК-диапазоне, приводящего к внутреннему излучению фотонов (IPE) на границах раздела решеток Au / Si Шоттки. . Когда генерируемые горячие носители набирают энергию, достаточную для преодоления барьера Шоттки, дополнительный фототок собирается кремниевой подложкой. Однако измеренная чувствительность все еще ниже среднего значения по сравнению с обычными детекторами. Дальнейшее улучшение должно быть достигнуто за счет уменьшения толщины верхнего слоя Au до 30 нм, чтобы большая часть генерируемых горячих электронов могла диффундировать в кремний, учитывая, что их диффузная длина составляет ~ 35 нм [16].

На рис. 6а представлены измеренные значения I - V кривые изготовленного фотодетектора с резонаторами (Str.4), показанные на рис. 2г, при различной интенсивности освещения на длине волны 860 нм. На рисунке 6b показан фототок ( I _ph ) и отзывчивость ( R _λ ) в зависимости от силы света при - 2 В. В диапазоне интенсивности падающего света от 5,2 до 16,6 мВт / см ² , фотодетектор показывает линейный отклик с фототоком от 6,05 × 10 ⁻⁸ до 1,28 × 10 ⁻⁶ A, что соответствует чувствительности от 0,058 до 0,386 A Вт ⁻¹ . На рис. 6b сплошные квадраты - экспериментальные данные, а сплошная линия соответствует простому степенному закону, I _ph = AP ^θ , где A постоянная, P - интенсивность света, а θ 1 - показатель степени, который подтверждает, что фототок в основном определяется количеством фотогенерируемых носителей [28,29,30,31]. Фотоэлектронное обнаружение еще раз демонстрируется фототоком, измененным падающим светом в форме прямоугольной волны, как показано на рис. 6c, который показывает четкую зависимость интенсивности света.

Фотоэлектронные свойства изготовленного детектора с плазмонным резонатором. а Логарифмический I - V кривые детектора, измеренные в темноте и при различной интенсивности освещения. б Кривые изменения чувствительности при изменении освещенности при смещении - 2 В. c I-t отклик фотоприемников при разной интенсивности освещения при смещении - 2 В

Поляризационная чувствительность изготовленной Au-решетки-Planar Si (рис. 4b), Au-решетки-Si NW (рис. 4c) и резонансного резонатора (рис. 4d) также была охарактеризована с использованием поляризованного света мощностью 16,6 мВт / см ² при смещении - 2 В, как показано на рис. 7. Отношение пика к минимуму фототока этих трех устройств составляет 5,6, 6,4 и 8,3 соответственно. Он демонстрирует более сильное поляризационно-зависимое обнаружение фотодетектором, полностью состоящим из кремния, с резонансным резонатором, чем при использовании структуры Au-решетка-Si ННК. Кроме того, быстрый отклик фототока, настроенного на угол поляризации, представлен на рис. 7b, демонстрируя поляриметрическое обнаружение с помощью изготовленной трехмерной архитектуры резонатора.

Экспериментальная демонстрация поляриметрического детектирования с помощью изготовленного полностью кремниевого фотоприемника. а Поляризационная зависимость тока фотоэлектонов. б Фототоковая характеристика настроенного на резонатор МС-детектора ниже 16,6 мВт / см ² падающий свет с разными углами поляризации, измеренными при постоянном смещении - 2 В. Угол поляризации отмечен черной стрелкой на соответствующем фототоке

Выводы

Комбинируя субволновую решетку из Au на кремнии в качестве маски травления и поляризатора, Si-нанопроволоки в качестве материала детектора и плазмонный резонатор, образованный двухслойными решетками Au, в этой работе был успешно предложен новый фотодетектор на основе полностью кремния. массив нанопроволок с поляриметрическим детектированием в ближнем ИК диапазоне. Было показано, что чувствительность этого устройства была высокой до 0,386 А Вт ⁻¹ . при постоянном смещении - 2 В, что соответственно сравнимо и больше значений, ожидаемых для ИК-детектора, полностью состоящего из кремния. Кроме того, было также достигнуто обнаружение поляризации и наблюдалось отношение пика к минимуму, равное 8,3 для фототока под падающим поляризованным светом на длине волны 860 нм. Моделирование работы устройства с помощью FDTD предполагает, что длину волны обнаружения можно настраивать в режиме ближнего ИК-диапазона, который определяется структурой устройства. Оптимизация как структурных размеров, так и условий нанотехнологии, несомненно, значительно улучшит коэффициент удлинения. Результаты, полученные в этой работе, поучительны для дальнейшего развития поляризационных детекторов на основе кремниевых нанопроволок для практического применения.

Сокращения

3D:

Трехмерный

DC:

Постоянный ток

EBL:

Электронно-лучевая литография

FDTD:

Конечная разность во временной области

FWHM:

Полная ширина на половине максимальной

IPE:

Эффект внутренней фотоэмиссии

I - V :

Ток-напряжение

MS:

Металл-полупроводник

NIR:

Ближний инфракрасный порт

NW:

Нанопроволока

PD:

Фотоприемники

RIE:

Реактивное ионное травление

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп