근적외선 편광 검출을 위한 공진 공동이 있는 All-Si 광검출기

결과 및 토론

그림 2a-d는 장치 구조의 2D 단면을 개략적으로 묘사합니다. 작동 메커니즘을 이해하기 위해 4가지 종류의 장치 구조, Si 기판의 본딩 패드로 둘러싸인 평면 Si 표면(그림 2a의 Str. 1), Si 표면의 Au 격자(그림 2b의 Str.2) , Au 격자 다음에 210 nm-H Si NW(그림 2c의 Str.3)와 공진기 조정 장치(그림 2d의 Str.4)를 비교했습니다. 투과, 반사 및 흡수에 대한 시뮬레이션된 스펙트럼은 각각 그림 2e–g에 나와 있습니다. 210 nm의 Si NW 높이를 가진 장치의 전계 분포는 860 nm의 파장에서 빛에 대해 계산되었습니다. 그림 2h(i–iii)는 각각 장치 Str.2, Str.3 및 Str.4에 대한 결과를 보여줍니다.

이 작업에서 조사한 4개의 장치에 대한 다이어그램과 장치의 FDTD 시뮬레이션 결과입니다. 아 Str.1:평면 Si 기판. (b ) 스트. 2:Si 기판 상단의 Au 격자. (ㄷ ) 스트. 3:Si NW 어레이 상단의 Au 격자. (d ) Str.4:Si NW 어레이의 상단과 하단에 Au 격자가 있는 완전히 제작된 검출기. 이 –지 네 가지 구조를 통한 투과, 반사 및 흡수 스펙트럼에 대한 시뮬레이션 결과입니다. 아 b에 표시된 세 가지 구조의 전기장 분포에 대한 시뮬레이션 결과 , ㄷ , 및 d , 각각, 입사광의 파장은 860 nm

그림 2e와 g에 제시된 시뮬레이션 결과는 0.7–1.1 μm의 파장에서 제안된 광검출기의 광 투과/흡수 과정에 대한 매우 흥미로운 그림을 보여줍니다. 이 장치가 TM 편광(NW 방향에 수직인 E-필드)에 의해 조명되는 동안 Str.1(그림 2a)의 평면 실리콘을 통한 투과율은 대부분 50% 이상이며, 이는 Si에 의한 낮은 흡수에 해당합니다. 예상되는. 구조 Str.2(그림 2b)에서 볼 수 있듯이 평면 실리콘 표면에 Au 격자를 추가하면 투과율이 10-20% 감소합니다. 도 2d에 도시된 바와 같은 광검출기 구조(Str.4)의 경우, 0.7-0.8 μm의 투과율이 평면 실리콘을 통한 투과율을 넘어서도 크게 향상되었습니다(이유는 여전히 조사해야 함). 그러나 더 두드러진 특징은 0.825–0.875 μm 파장의 투과 및 반사(그림 2f)가 210 nm-H에서 상당히 감소한다는 것입니다. , 그리고 흡수는 다른 구조의 것보다 훨씬 뛰어납니다. 이러한 흡수 증가 배후의 물리적 그림은 Si 나노와이어 옆의 상단과 하단의 두 금속에 의해 형성된 Fabry-Perot 공동의 공진 모드로 해석될 수 있습니다. 860 nm 파장에서 FDTD 시뮬레이션에 의해 그림 2h(iii)에 나타난 바와 같이 상부 Au 층과 하부 Au 층 사이에 존재하는 높은 전기장은 표면 플라즈몬의 공진 모드를 나타냅니다. 공진 에너지의 흡수는 고효율로 플라즈몬 붕괴를 통해 금속층에서 뜨거운 전자를 생성하도록 변환된 것으로 믿어집니다. 이러한 놀라운 흡수 특성은 설계된 Au/Si 쇼트키 장벽 검출기에 의한 NIR의 새로운 광전자 검출을 위한 견고한 토대를 마련합니다. 특히, 그림 2g는 공진기 조정 광검출기가 최대 300 nm까지 반치폭(FWHM)에서 흡수를 나타냄을 보여줍니다.

또한, 편광 감지를 위해 Si 나노와이어 상단의 하위 파장 금속 격자는 편광자이기도 하여 입사광을 TM 편광으로 변환합니다. 또한 그림 2d에서 설계된 공진기 구조에 대한 흡수 스펙트럼을 계산하여 편광 특성을 연구했습니다. 그림 3a는 나노와이어 높이(H )은 210 nm였으며, 여기서 0°는 y에 평행한 편광에 해당합니다. -중심선. 그림 3a의 파장-편광각 흡수의 3D 플롯은 최대 흡수가 860 nm의 파장에서 발생함을 나타내며, 이는 그림 2g의 피크 위치와 일치합니다. 도 3b의 편광 각도에 따른 흡수의 엄밀한 주기적인 변화는 ~ 17:1의 확장비(피크/밸리)를 발생시킵니다. 이 비율을 더욱 향상시키려면 격자 프로파일을 최적화해야 합니다.

표면 플라즈몬 공진기가 있는 광검출기의 편광 특성에 대한 이론적 결과. 아 다른 편광 각도에서 광 흡수 스펙트럼의 편광 의존성. 0°의 편광 각도는 Au 격자의 방향을 따라 정의되었습니다. ㄴ 입사 파장이 860 nm

그림 4는 제작된 4가지 종류의 구조를 보여줍니다. 정사각형 창이 있는 평면 Si 기판의 본딩 패드(그림 4a), 정사각형 창에 등록된 Au 격자-평면 Si(그림 4b), Au 격자-Si NW 장치(그림 4c) 및 최종 공진기 튜닝 장치(그림 4d). 평면도에서 장치 레이아웃의 전체 치수는 200 μm × 100 μm이고 정사각형 창은 80 μm × 80 μm입니다. 설계에 따라 Au 격자 선과 공간은 각각 200 nm 및 400 nm입니다. 나노와이어의 표면 결함을 줄이기 위해 350°C에서 10분 동안 질소 가스에서 장치를 어닐링했습니다[21, 22].

제작된 MS 광전자 검출기에 대한 주사 전자 현미경(SEM)에 의한 현미경 사진. 아 Str.1:본딩 패드만 있는 장치의 개요. ㄴ Str.2:정사각형 창 내부에 위치한 Au 격자 평면 Si. ㄷ Str.3:Au 격자-Si NW 소자의 단면도. d Str.4:공진 공동이 있는 최종 제작된 장치의 단면도

그림 5a는 전류-전압(I -V ) 16.6 mW/cm ² 조명 아래 4개의 다른 장치에서 가져온 곡선 각각 860 nm 파장에서. 210 nm-H 표면 플라즈몬 공진기 기반 광검출기(Str.4) 양의 바이어스의 전류 흐름이 서로 일치함에도 불구하고 4개의 소자 중 가장 높은 광전류인 10배의 전류 증가를 보여줍니다. Au grating-Si NW 소자(Str. 3)와 비교하여, 공진기 조정 소자(Str.4)는 조명 아래에서 더 큰 전류를 실현하며, 이는 추가 금속막 구조로 인해 발생하는 추가 광전류의 존재를 나타냅니다(그림 1b). 1e).

제작된 전체 실리콘 검출기에서 얻은 측정 결과. 아 가벼운 로그 I -V 16.6 mW/cm ² 조도에서 곡선 . ㄴ 다크 로그 I -V 곡선. ㄷ − 2 V의 바이어스 및 16.6 mW/cm ² 의 광도에서 응답 스펙트럼 . d 16.6 mW/cm ² 의 강도에서 860 nm 파장에 대한 응답도의 바이어스 의존성

나 -V 암흑에서의 특성은 열이온 방출 모델을 사용하여 추가로 분석됩니다[10, 23]. 열이온 방출 전류는 \( I={AA}^{\ast }{T}^2\exp \left(-\frac{q{\Phi}_B}{kT}\right)\left[ \exp \left(\frac{qV}{nkT}\right)-1\right] \), 여기서 A 접점 접합 영역, A *는 Richardson 상수입니다(≈ 112 A cm ⁻² 케이 ⁻² n형 Si의 경우), T 온도, Φ_B 쇼트키 장벽 높이, k 볼츠만 상수, q 전자 요금, n 는 이상 요인이고 V 접합에 걸친 전압 강하입니다. Φ_B 그리고 n lg I의 선형 피팅을 통해 추출할 수 있습니다. -V 그림 5b와 같이 순방향 바이어스 선형 영역에서 q Φ_B 그리고 n 공진기 조정 장치(Str. 4)의 경우 조정된 R에서 0.57 ± 0.016eV 및 1.43 ± 0.028인 것으로 나타났습니다. ² 각각 0.99644입니다. 이상 계수는 1에 가깝고 열이온 방출이 주요 전류 메커니즘임을 나타냅니다. 역 바이어스 동작(- 2, 0)은 Str.4에서 달성된 가장 낮은 암전류(~ 27 nA)를 보여주는 그림 5b의 삽입물에 표시됩니다. 두 가지 요인이 암전류를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 하나는 나노와이어 저항의 증가이고 다른 하나는 15nm 두께의 Au 층과 실리콘 사이의 얇은 계면 공핍층으로 인한 전도도 감소입니다.

반응성(R _λ )는 R로 정의할 수 있는 광학 장치의 중요한 매개변수입니다. _λ =나 _ph /추신 , 여기서 나 _ph 광전류(I _빛 -나 _어두운 ), 피 조명 강도, S 전체 광전자 감지 영역은 평면도에서 측정한 모든 레이아웃의 실제 영역입니다[12]. 도 5c에 제시된 바와 같이 공진 공동 기반 광검출기(Str. 4)에 의한 응답 스펙트럼은 최대 0.386 A W ^-1 를 나타낸다. - 2 V의 바이어스에서 860 nm의 파장과 150 nm의 FWHM. 이러한 피크 응답성은 그림 2g에 표시된 FDTD 방법에 의해 시뮬레이션된 최대 흡수와 일치합니다. 이러한 결과는 금속층에 플라즈몬 열전자의 존재를 다시 입증합니다. 그러나 다른 3개의 장치는 0.007 A W ⁻¹ 의 응답도를 발생시킵니다. , 0.09 A W ⁻¹ 및 0.121 A W ⁻¹ , 각각. 더 중요한 것은 0.7–1.1 μm의 파장에서 피크가 관찰되지 않는다는 것입니다. 또한 플라즈몬 흡수 스펙트럼 S에 의해 수정된 Fowler 응답[20]을 고려합니다. (v ):R (v ) =η _나 ⋅ S (v ) 및 \( {\eta}_i\approx {\mathrm{C}}_F\frac{{\left( hv-q{\phi}_B\right)}^2}{hv} \) 포텐셜 장벽을 극복하기에 충분한 에너지를 가진 구조에서 "사용 가능한" 전자의 수[24,25,26,27]. 이를 기반으로 Str의 실험적 응답성을 피팅합니다. 4 S(v ), 조정된 R이 있는 0.578 ± 0.0127 eV의 쇼트키 장벽 높이 ² 위에서 언급한 0.57 eV와 유사하고 주요 탐지 메커니즘이 IPE임을 나타내는 0.94611의 값이 얻어졌습니다. 추가 이점으로 이 공진기 기반 광검출기는 장치에 음의 바이어스를 적용하여 상당한 광전류 조정을 제공하여 그림 5d와 같이 반응성을 잘 제어할 수 있습니다. 또한 0 V 바이어스에서 0.146 A/W의 상당한 응답성을 보여줍니다.

제작된 장치에 대한 광전자 응답 특성의 특성화는 설계된 광검출기가 NIR 영역에서 작동할 수 있음을 보여줍니다. 공진기가 있는 장치와 없는 장치 간의 광전자 반응성에 대한 실험적 비교는 NIR에서 빛의 공명 흡수에 대한 강력한 증거를 제공하여 Au 격자/Si 쇼트키 인터페이스에서 내부 광자 방출(IPE)로 이어집니다. . 생성된 핫 캐리어가 쇼트키 장벽을 극복하기에 충분한 에너지를 얻으면 실리콘 기판에 추가 광전류가 수집됩니다. 그러나 측정된 감도는 여전히 기존 검출기에 비해 평균값 이하입니다. 생성된 열전자의 대부분이 실리콘으로 확산될 수 있도록 상부 Au 층 두께를 30 nm로 줄여서 추가 개선이 이루어져야 합니다. 이러한 열전자의 확산 길이는 ~ 35 nm[16]입니다.

그림 6a는 측정된 I를 나타냅니다. -V 860 nm의 파장에서 다양한 조명 강도에서 그림 2d와 같이 공진기(Str.4)가 있는 제작된 광검출기의 곡선. 그림 6b는 광전류(I _ph ) 및 반응성(R _λ ) − 2 V 미만의 광도 함수. 입사 광도 범위 5.2 ~ 16.6 mW/cm ² , 광검출기는 6.05 × 10 ⁻⁸ 의 광전류로 선형 응답을 나타냅니다. ~ 1.28 × 10 ⁻⁶ A, 0.058 ~ 0.386 A W ⁻¹ 의 반응성에 해당 . 그림 6b에서 실선은 실험 데이터이고 실선은 단순 멱법칙 I에 적합합니다. _ph =AP ^θ , 여기서 A 상수, P 는 빛의 세기, θ는 1의 지수로 광전류가 대부분 광발생 캐리어의 양에 의해 결정됨을 확인할 수 있다[28,29,30,31]. 광전자 검출은 그림 6c와 같이 구형파 형태의 입사광에 의해 수정된 광전류에 의해 다시 한 번 입증되었으며, 이는 명확한 광도 의존성을 보여줍니다.

플라즈몬 공진기로 제작된 검출기의 광전자 특성. 아 로그 I -V 어둡고 다른 조명 강도에서 측정된 검출기의 곡선. ㄴ − 2 V의 바이어스에서 조도에 따라 변화하는 응답도 곡선 c − 2 V 바이어스

제작된 Au grating-Planar Si(Fig. 4b), Au grating-Si NW(Fig. 4c), 공진 공동 튜닝 소자(Fig. 4d)의 편광 감도는 16.6 mW/ cm ² 그림 7과 같이 - 2 V 바이어스에서. 이 세 소자의 광전류 피크 대 골 비율은 각각 5.6, 6.4, 8.3입니다. Au 격자-Si NW 구조보다 공진 공동이 있는 전체 Si 광검출기에 의한 더 강한 편광 의존 감지를 보여줍니다. 또한, 편광 각도에 의해 조정된 광전류의 빠른 응답이 그림 7b에 나와 있으며, 제작된 3D 공진기 아키텍처에 의한 편광 검출을 보여줍니다.

제작된 all-Si 광검출기에 의한 편광 검출의 실험적 시연. 아 광전자 전류의 극성 의존성. ㄴ 16.6 mW/cm ² 에서 공진기 조정 MS 검출기의 광전류 응답 - 2 V의 DC 바이어스에서 측정된 다른 편광 각도의 입사광 편광 각도는 해당 광전류에 검은색 화살표로 표시되었습니다.