Кремниевые фотодетекторы с резонансными кавитами для ближнеинфракрасного поляриметрического сенсирования

Аннотация

Это исследование представляет кремниевый фотодетектор, связывающий субволновую золотую решетку с резонансной кавитой для реализации ближнеинфракрасного (БИК) поляриметрического детектирования. Золото-кремниевый Шотткиевый интерфейс собирает горячие электроны, сгенерированные поверхностными плазмонными резонансами, расширяя диапазон детектирования кремния за пределы его запрещенной зоны. Моделирование методом конечных разностей во временной области (FDTD) направляло дизайн устройства, в то время как электронно-лучевая литография обеспечивала точную нанофабрикацию. Экспериментальные результаты показывают пик ответственности 0,386 А/Вт при 860 нм под смещением −2 В и пиковое-к-дольное отношение поляризации 8,3, демонстрируя потенциал полностью кремниевой фотоники для дешевых высокопроизводительных БИК сенсоров.

Введение

Быстрая эволюция оптических коммуникаций требует недорогих поляриметрических фотодетекторов (ФД), работающих в БИК. Традиционные III-V и II-VI соединения, такие как GaAs/InGaAs и TeCdHg, предлагают высокие коэффициенты поглощения, но страдают от дорогих процессов роста и ограниченной CMOS-совместимости. Кремний, основа полупроводниковой индустрии, стал жизнеспособной платформой для оптоэлектроники благодаря зрелому производству, совместимости с CMOS и недавним достижениям в кремниевой фотонике. Интегрируя кремниевые нанопроводниковые детекторы с фотонными структурами, исследователи начали изучать новые функциональности, включая поляриметрическое детектирование.

Основываясь на предшествующей работе с кремниевыми нанопроводниковыми ФД, эта статья представляет полностью кремниевый детектор, встраивающий субволновую металлическую решетку, служащую одновременно поляризатором и резонансной кавитой. Три задачи направляют дизайн: (1) расширение чувствительности кремниевых нанопроводников в БИК, (2) интеграция компактного поляризатора и (3) повышение ответственности через светозахватывающие структуры. Предлагаемая архитектура объединяет субволновую золотую решетку, массив кремниевых нанопроводников контролируемой высоты и плазмонный резонансор, облегчающий генерацию горячих электронов и внутреннюю фотоэмиссию (ВФЭ) на Шотткиевом интерфейсе, тем самым обеспечивая широкополосное, поляризационно-чувствительное БИК детектирование.

Методы/Эксперимент

Дизайн полностью кремниевых поляризационных детекторов

Рис. 1a иллюстрирует геометрию устройства. Массивы кремниевых нанопроводников фабриковали на слабо n-типе кремнии (500 мкм толщиной, 1–10 Ом·см) с шагом 400 нм и высотами (H) от 100 нм до 300 нм, используя стандартный сухой процесс травления. Шотткиевый барьер формируется на золото-кремниевом интерфейсе. Рис. 1b показывает поверхностно-плазмонный резонансор, состоящий из золотых слоев выше и ниже массива нанопроводников.

Рис. 1c и 1d изображают изгиб зон на Si-Au интерфейсе под разными условиями смещения. Энергии фотонов, превышающие запрещенную зону кремния (hν > E_g), обычно генерируют электроно-дырочные пары, поглощаемые только в видимом диапазоне. Однако горячие электроны, произведенные эффектом внутренней фотоэмиссии (ВФЭ) в золотом слое, могут преодолеть Шотткиевый барьер, обеспечивая БИК детектирование. Субволновая золотая решетка на вершине нанопроводников также функционирует как поляризатор, настраивая резонансную длину волны через свои геометрические параметры.

FDTD симуляции

Для оптимизации структуры для высокоэффективного БИК поляриметрического детектирования мы выполнили 3D FDTD симуляции с использованием Lumerical. Периодические граничные условия применялись в направлениях x и y, с идеально согласованными слоями по z. TM-поляризованная плоская волна, распространяющаяся по z, служила источником возбуждения. Золотая решетка была задана толщиной 85 нм, шириной 200 нм и шагом 400 нм. Мониторы рефлексии и трансляции на вершине и дне кремниевой подложки давали спектры поглощения через A = 1 - R - T.

Фабрикация устройства

Устройство фабриковали электронно-лучевой литографией. 300-нм слой PMMA центрифугировали и выпекали при 180 °C 12 мин. После экспозиции JEOL 6300FS резист разрабатывали в MIBK/IPA (1:3) при 23 °C 60 с. Родной оксид удаляли 2 % буферным HF, за которым следовала термическая эвапорация 2 нм Cr/70 нм Au. Лифт-офф в ацетоне при 60 °C завершал структурирование. Золотая решетка затем травлялась в кремний реактивным ионным травлением (РИТ) в фтористочной плазме, формируя массив нанопроводников. Наконец, 15-нм Au пленка осаждалась над всем устройством для создания резонансной кавиты.

Фото-электрическая характеристика

Электрические измерения проводились в диапазоне 0,7–1,1 мкм длины волны с использованием откалиброванного источника света (OPM 35S). Вольт-амперные (I-V) характеристики записывали под освещением и в темноте.

Результаты и обсуждение

Рис. 2a–d показывают поперечную геометрию четырех вариантов устройств: (1) планарный Si с контактной площадкой, (2) Au решетка на планарном Si, (3) Au решетка на Si нанопроводниках и (4) полный резонансный-кавитационный детектор. Смоделированные спектры трансляции, рефлексии и поглощения показаны на рис. 2e–g. Для 210-нм высокого массива нанопроводников поглощение при 860 нм достигает пика с полной шириной на полувысоте (FWHM) ~300 нм, пригодное к Фабри-Перо резонансам между верхним и нижним золотыми слоями. Высокая интенсивность электрического поля между металлическими слоями, проиллюстрированная на рис. 2h(iii), указывает на эффективную плазмон-в-горячие-электроны конверсию.

Поляризационный анализ (рис. 3a) показывает пиковое поглощение при 860 нм с периодической вариацией поглощения в зависимости от угла поляризации, дающей пиковое-к-дольное отношение ~17:1. Оптимизация профиля решетки может еще улучшить это отношение.

SEM микрографии (рис. 4) подтверждают точность фабрикации каждой структуры, с резонансным детектором, демонстрирующим ожидаемую двухслойную золотую кавиту и массив нанопроводников.

Электрические измерения (рис. 5a) показывают, что резонансный детектор (Ст.4) демонстрирует на порядок более высокий фотоконт под отрицательным смещением −2 В по сравнению с другими структурами. Темновой ток остается низким (~27 нА) из-за увеличенного сопротивления нанопроводников и обедненного слоя на 15-нм Au/Si интерфейсе.

Анализ темновых I-V с использованием термиоэмиссионной модели дает высоту Шотткиевого барьера Φ_B ≈ 0,57 эВ и идеальность n ≈ 1,43, подтверждая термиоэмиссию как доминирующий механизм транспорта. Ответственность достигает пика 0,386 А/Вт с FWHM 150 нм, согласуясь с смоделированным профилем поглощения. Лоренцианская аппроксимация спектра ответственности дает Φ_B ≈ 0,58 эВ, дополнительно подтверждая механизм детектирования ВФЭ.

При переменных интенсивностях освещения (рис. 6b) фотоконт детектора масштабируется линейно (I_ph = A P^θ, θ ≈ 1), подтверждая, что фотоконт управляется числом сгенерированных носителей. Ответственность достигает 0,386 А/Вт при −2 В и 0,146 А/Вт при 0 В.

Поляризационная чувствительность (рис. 7) показывает пиковые-к-дольные отношения 5,6, 6,4 и 8,3 для планарной Au решетки, Au решетки-нанопроводника и резонансного детектора соответственно, демонстрируя улучшенную поляриметрическую способность резонансной архитектуры. Быстрая модуляция фотоконта с углом поляризации дополнительно подтверждает пригодность устройства для поляриметрического сенсирования.

Заключение

Мы продемонстрировали полностью кремниевый фотодетектор, интегрирующий субволновую золотую решетку, массив кремниевых нанопроводников и двухслойную золотую резонансную кавиту для достижения БИК поляриметрического детектирования. Устройство выдает пиковую ответственность 0,386 А/Вт при 860 нм под смещением −2 В и пиковое-к-дольное отношение поляризации 8,3, превосходя конвенциональные кремниевые ФД в БИК режиме. FDTD симуляции подтверждают, что длина волны детектирования может быть настроена через структурные параметры, предлагая гибкость для будущих применений. Дальнейшая оптимизация геометрии решетки и уменьшение толщины верхнего золотого слоя ожидаются для улучшения ответственности и поляризационного контраста, прокладывая путь к экономичным высокопроизводительным полностью кремниевым БИК сенсорам.

Аббревиатуры

3D:

Трехмерный

DC:

Постоянный ток

EBL:

Электронно-лучевая литография

FDTD:

Метод конечных разностей во временной области

FWHM:

Полная ширина на полувысоте

IPE:

Эффект внутренней фотоэмиссии

I-V:

Вольт-амперная

MS:

Металл-полупроводник

NIR:

Ближний инфракрасный

NW:

Нанопроводник

PDs:

Фотодетекторы

RIE:

Реактивное ионное травление

SEM:

Расканирующий электронный микроскоп