All-Si fotodetectoren met een resonantieholte voor nabij-infrarood polarimetrische detectie

Resultaten en discussie

Figuur 2a-d geeft schematisch de 2D-dwarsdoorsnede van de apparaatstructuur weer. Om het werkingsmechanisme te begrijpen, vier soorten apparaatstructuren, een vlak Si-oppervlak omgeven door een hechtkussen op een Si-substraat (Str. 1 in Fig. 2a), een Au-rooster op Si-oppervlak (Str.2 in Fig. 2b) , een Au-grating gevolgd door 210 nm-H Si NW (Str.3 in Fig. 2c) en een op resonator afgestemd apparaat (Str.4 in Fig. 2d) werden vergeleken. De gesimuleerde spectra voor de transmissie, reflectie en absorptie worden respectievelijk getoond in Fig. 2e-g. De elektrische veldverdelingen in het apparaat met de Si NW-hoogte van 210 nm werden berekend voor het licht met een golflengte van 860 nm. Afbeelding 2h (i–iii) toont de resultaten voor respectievelijk het apparaat Str.2, Str.3 en Str.4.

De diagrammen voor de vier apparaten die in dit werk zijn onderzocht en de FDTD-simulatie zijn het resultaat van de apparaten. een Str.1:het vlakke Si-substraat. (b ) Str. 2:het Au-rooster op de bovenkant van Si-substraat. (c ) Str. 3:het Au-rooster op de bovenkant van de Si NW-array. (d ) Str.4:de volledig gefabriceerde detector met zowel het Au-rooster aan de boven- als onderkant van de Si NW-array. e –g De simulatieresultaten voor respectievelijk de transmissie-, reflectie- en absorptiespectra door de vier structuren. u De simulatieresultaten voor de elektrische veldverdelingen in de drie structuren zoals weergegeven in b , c , en d , respectievelijk, en de golflengte van het invallende licht is 860 nm

De simulatieresultaten gepresenteerd in Fig. 2e en g geven een buitengewoon interessant beeld weer voor het lichttransmissie / absorptieproces in de voorgestelde fotodetector in de golflengte van 0, 7-1, 1 m. Terwijl dit apparaat werd verlicht door TM-gepolariseerd licht (E-veld loodrecht op de NW-richting), is de transmissie door het vlakke silicium voor de Str.1 (Fig. 2a) meestal meer dan 50%, wat overeenkomt met lage absorptie door Si als verwacht. De toevoeging van een Au-rooster aan het vlakke siliciumoppervlak, zoals weergegeven in de structuur Str.2 (Fig. 2b), leidt gewoon tot een reductie van 10-20% in de transmissie. Voor de fotodetectorstructuur (Str.4) zoals geïllustreerd in Fig. 2d, zijn de transmissies in 0, 7-0, 8 m aanzienlijk verbeterd, zelfs voorbij die door het vlakke silicium (de reden moet nog worden onderzocht). Het meest opvallende kenmerk is echter dat de transmissie en reflectie (Fig. 2f) in de golflengten van 0,825-0,875 m aanzienlijk wordt verminderd voor 210 nm-H , en de absorptie is ver boven die in de andere structuren gestegen. Het fysieke beeld achter een dergelijke toename van de absorptie kan worden geïnterpreteerd door de resonantiemodi in de Fabry-Perot-holte gevormd door de twee metalen aan de boven- en onderkant naast de Si-nanodraden. Het hoge elektrische veld dat bestaat tussen de bovenste en onderste Au-lagen, zoals weergegeven in Fig. 2h (iii) door de FDTD-simulatie op 860 nm van de golflengte, staat voor de resonantiemodi van oppervlakteplasmonen. Er wordt aangenomen dat de absorptie van de resonantie-energie werd omgezet om met hoge efficiëntie hete elektronen in de metaallagen te genereren via plasmonverval. Een dergelijke opmerkelijke absorptiekarakteristiek legt een solide basis voor de nieuwe foto-elektronendetectie in NIR door de ontworpen Au/Si Schottky-barrièredetector. Vooral Fig. 2g laat ook zien dat een op resonator afgestemde fotodetector een absorptie vertoont met volledige breedte op half maximum (FWHM) tot 300 nm.

Bovendien is voor polarisatiedetectie het metalen rooster onder de golflengte op de bovenkant van Si-nanodraden ook een polarisator, die het invallende licht omzet in TM-gepolariseerd. De polarisatiekarakteristieken werden ook bestudeerd door het absorptiespectrum te berekenen voor de ontworpen resonatorstructuur in figuur 2d. Figuur 3a presenteert de hoekafhankelijke absorptiespectra in 0,7-1,1 m wanneer de nanodraadhoogte (H ) was 210 nm, waarbij 0° overeenkomt met de polarisatie parallel aan y -as. De 3D-grafiek van golflengte-polarisatiehoekabsorptie in figuur 3a geeft aan dat de maximale absorptie plaatsvindt bij de golflengte van 860 nm, wat consistent is met de piekpositie in figuur 2g. De strikt periodieke variatie van de absorptie met de polarisatiehoek in Fig. 3b geeft aanleiding tot de extensieverhouding (piek/dal) van ~ 17:1. Om deze verhouding verder te verbeteren, moet het roosterprofiel worden geoptimaliseerd.

De theoretische resultaten voor de polarisatie-eigenschappen van de fotodetector met de oppervlakte-plasmonresonator. een De polarisatie-afhankelijkheid van optische absorptiespectra bij verschillende polarisatiehoeken. De polarisatiehoek van 0° werd gedefinieerd in de richting van het Au-rooster. b Polarisatie-afhankelijke absorptie-intensiteit met invallende golflengten van 860 nm

Figuur 4 toont de gefabriceerde vier soorten structuren:het hechtkussen op een vlak Si-substraat met een vierkant venster (Fig. 4a), het Au-rooster-vlak Si geregistreerd in het vierkante venster (Fig. 4b), het Au-rooster-Si NW-apparaat (Fig. 4c), en het laatste resonator-afgestemde apparaat (Fig. 4d), respectievelijk. De totale afmetingen van de apparaatlay-out van het bovenaanzicht zijn 200 μm × 100 μm, en het vierkante venster meet 80 μm × 80 μm. In overeenstemming met het ontwerp zijn de Au-grating-lijnen en -ruimten respectievelijk 200 nm en 400 nm. Het gloeien van de apparaten in stikstofgas bij 350 °C gedurende 10 min werd ondernomen, met als doel de oppervlaktedefecten op de nanodraden te verminderen [21, 22].

Microfoto's door scanning elektronenmicroscoop (SEM) voor de gefabriceerde MS-foto-elektronendetectoren. een Str.1:het overzicht van het apparaat met alleen de bonding pad. b Str.2:de Au-rooster-vlakke Si die zich in het vierkante venster bevindt. c Str.3:de dwarsdoorsnede van Au-grating-Si NW-apparaat. d Str.4:de dwarsdoorsnede van het uiteindelijk vervaardigde apparaat met resonantieholten

Figuur 5a toont de stroom-spanning (I -V ) curven genomen van de vier verschillende apparaten bij een verlichting van 16,6 mW/cm ² bij een golflengte van respectievelijk 860 nm. Onder de negatieve DC-bias van de bovenste elektrode naar het siliciumsubstraat, oppervlakte-plasmonische resonator-gebaseerde fotodetector (Str.4) met 210 nm-H toont een toename van de stroom met een orde van grootte, wat de hoogste fotostroom is van de vier apparaten, ondanks dat de stroom in de positieve voorspanning met elkaar samenvalt. Vergeleken met Au-grating-Si NW-apparaat (Str. 3), realiseert het resonator-afgestemde apparaat (Str.4) een grotere stroom onder verlichting, wat het bestaan ​​van een extra fotostroom onthult die wordt veroorzaakt door de extra metaalfilmarchitectuur (Fig. . 1e).

De meetresultaten verkregen van de gefabriceerde volledig siliciumdetector. een Licht logaritmisch I -V krommen onder de verlichtingsintensiteit van 16,6 mW/cm ² . b Donker logaritmisch I -V bochten. c Responsiviteitsspectra onder de bias van − 2 V en de lichtintensiteit van 16,6 mW/cm ² . d Bias afhankelijkheid van responsiviteit voor 860 nm golflengte onder de intensiteit van 16,6 mW/cm ²

De ik -V karakteristieken in het donker worden verder geanalyseerd met behulp van het thermionische emissiemodel [10, 23]. De thermionische emissiestroom wordt gegeven door:\( I={AA}^{\ast }{T}^2\exp \left(-\frac{q{\Phi}_B}{kT}\right)\left[ \exp \left(\frac{qV}{nkT}\right)-1\right] \), waarbij A is het gebied van het contactknooppunt, A * is de Richardson-constante (≈ 112 A cm ⁻² K ⁻² voor n-type Si), T is de temperatuur, Φ_B is de hoogte van de Schottky-barrière, k is de Boltzmann-constante, q is de elektronische lading, n is de idealiteitsfactor, en V is de spanningsval over een junctie. De Φ_B en n kan worden geëxtraheerd via lineaire aanpassing van lg I -V in het lineaire voorwaartse voorspanningsgebied, zoals getoond in figuur 5b. De q Φ_B en n voor resonator afgestemde apparaten (Str. 4) blijken 0,57 ± 0,016 eV en 1,43 ± 0,028 te zijn met een aangepaste R ² van respectievelijk 0,99644. De idealiteitsfactor is gesloten tot 1, wat aangeeft dat de thermionische emissie het belangrijkste stroommechanisme is. Het omgekeerde bias-gedrag (− 2, 0) wordt getoond in de inzet van Fig. 5b, die de laagste donkerstroom (~  27 nA) laat zien die is bereikt in Str.4. Twee factoren kunnen helpen om de donkerstroom te verminderen:de ene is de toename van de weerstand van de nanodraad en de andere is de afname van de geleidbaarheid, als gevolg van een dunne interface-uitputtingslaag tussen de 15 nm dikke Au-laag en silicium.

Het is algemeen bekend dat de responsiviteit (R _λ ) is een kritische parameter voor optische apparaten, die kan worden gedefinieerd als R _λ = Ik _ph /PS , waar ik _ph is de fotostroom (I _Licht -Ik _Donker ), P is de verlichtingsintensiteit, S is het totale foto-elektronische detectiegebied, wat het werkelijke gebied is van de hele lay-out, gemeten vanaf het bovenaanzicht [12]. Zoals weergegeven in Fig. 5c, toont het responsiviteitsspectrum van de op resonantieholte gebaseerde fotodetector (Str. 4) het maximum van 0,386 A W ⁻¹ rond de golflengte van 860 nm en een FWHM van 150 nm onder de bias van − 2  V. Een dergelijke piekresponsiviteit komt overeen met de maximale absorptie gesimuleerd door de FDTD-methode zoals weergegeven in figuur 2g. Deze resultaten tonen opnieuw het bestaan ​​van plasmonische hete elektronen in de metallische laag aan. De andere drie apparaten geven echter aanleiding tot de responsiviteit van 0,007 A W ⁻¹ , 0,09 A W ⁻¹ , en 0,121 A W ⁻¹ , respectievelijk. Wat nog belangrijker is, is dat er geen piek wordt waargenomen in de golflengten in 0,7-1,1 m wat betreft. Bovendien, gezien een Fowler-respons [20] gewijzigd door het plasmonabsorptiespectrum S (v ):R (v ) = η _ik ⋅ S (v ), en \( {\eta}_i\circa {\mathrm{C}}_F\frac{{\left( hv-q{\phi}_B\right)}^2}{hv} \), die beschrijft het aantal "beschikbare" elektronen in de structuur met voldoende energie om de potentiaalbarrière te overwinnen [24,25,26,27]. Op basis hiervan passen de experimentele verantwoordelijkheden van Str. 4 zoals getoond in Fig. 5c door een Lorentziaanse lijnvorm voor S(v ), een Schottky-barrièrehoogte van 0,578 ± 0,0127 eV met een aangepaste R ² van 0,94611 werd verkregen, wat vergelijkbaar is met de bovengenoemde 0,57 eV en geeft aan dat het belangrijkste detectiemechanisme IPE is. Als een bijkomend voordeel biedt deze op resonator gebaseerde fotodetector een aanzienlijke afstemming van de fotostroom door de toepassing van een negatieve bias op het apparaat, wat een goede controle over de responsiviteit biedt, zoals weergegeven in Fig. 5d. Het vertoont ook een aanzienlijke responsiviteit van 0,146 A/W bij 0 V bias.

De karakterisering van de opto-elektronresponseigenschap voor het gefabriceerde apparaat toont aan dat de ontworpen fotodetector in het NIR-gebied kan werken. De experimentele vergelijking van de foto-elektronenresponsiviteit tussen de apparaten met en zonder de resonator levert ons een sterk bewijs voor de resonante absorptie van het licht in NIR, wat leidt tot de interne fotonenemissie (IPE) in de Au-grating/Si Schottky-interfaces . Wanneer de gegenereerde hete dragers voldoende energie krijgen om de Schottky-barrière te overwinnen, wordt extra fotostroom verzameld door het siliciumsubstraat. De gemeten responsiviteit ligt echter nog steeds onder de gemiddelde waarde in vergelijking met conventionele detectoren. Verdere verbetering moet worden aangebracht door de dikte van de bovenste Au-laag te verminderen tot 30 nm, zodat de meeste gegenereerde hete elektronen in het silicium kunnen diffunderen, aangezien de diffuse lengte ervan ~  35 nm [16] is.

Afbeelding 6a geeft de gemeten I . weer -V krommen van de gefabriceerde fotodetector met de resonatoren (Str.4) zoals geïllustreerd in Fig. 2d onder verschillende verlichtingsintensiteiten bij de golflengte van 860 nm. Figuur 6b toont de fotostroom (I _ph ) en responsiviteit (R _λ ) als functie van de lichtintensiteit onder − 2 V. Binnen het intensiteitsbereik van invallend licht van 5,2 tot 16,6 mW/cm ² , vertoont de fotodetector een lineaire respons met fotostroom van 6,05 × 10 ⁻⁸ tot 1,28 × 10 ⁻⁶ A, overeenkomend met responsiviteit van 0,058 tot 0,386 A W ⁻¹ . In Fig. 6b zijn de dichte vierkanten de experimentele gegevens en de ononderbroken lijn past bij de eenvoudige machtswet, I _ph = AP ^θ , waar A is een constante, P is de lichtintensiteit, en de θ van 1 is een exponent, wat bevestigt dat de fotostroom grotendeels wordt bepaald door het aantal fotogegenereerde dragers [28,29,30,31]. De foto-elektronendetectie wordt opnieuw aangetoond door de fotostroom die is gewijzigd door het invallende licht in blokgolfvorm, zoals weergegeven in figuur 6c, die een duidelijke afhankelijkheid van de lichtintensiteit laat zien.

De foto-elektroneigenschappen van de gefabriceerde detector met de plasmonische resonator. een Logaritmisch I -V curven van de detector gemeten in het donker en onder verschillende verlichtingsintensiteiten. b De curven van de responsiviteit veranderen met de verlichtingsintensiteit onder de bias van − 2 V. c I-t respons van de fotodetectoren onder verschillende verlichtingsintensiteiten bij − 2 V bias

De polarisatiegevoeligheid van het gefabriceerde Au-grating-Planar Si (Fig. 4b), Au-grating-Si NW (Fig. 4c) en het op resonantieholte afgestemde apparaat (Fig. 4d) werd ook gekarakteriseerd met behulp van het gepolariseerde licht van 16,6 mW / cm ² onder − 2 V-bias, zoals weergegeven in Fig. 7. De fotostroompiek tot dalverhoudingen van deze drie apparaten zijn respectievelijk 5,6, 6,4 en 8,3. Het toont de sterkere polarisatieafhankelijke detectie door de all-Si-fotodetector met de resonantieholte dan die met Au-rooster-Si NW-structuur. Verder wordt de snelle respons van fotostroom afgestemd door de polarisatiehoek weergegeven in Fig. 7b, wat de polarimetrische detectie door de gefabriceerde 3D-resonatorarchitectuur aantoont.

Experimentele demonstratie van polarimetrische detectie door de gefabriceerde all-Si-fotodetector. een Polarisatie-afhankelijkheid van de foto-elektronenstroom. b Fotostroomrespons van op resonator afgestemde MS-detector onder de 16,6 mW/cm ² invallend licht met verschillende polarisatiehoeken gemeten bij de DC-bias van − 2 V. De polarisatiehoek werd gemarkeerd met een zwarte pijl op de bijbehorende fotostroom