基于谐振腔的硅基光电探测器实现近红外偏振探测

摘要

本研究引入一种硅基光电探测器，耦合亚波长金光栅与谐振腔，实现近红外（NIR）偏振探测。金-硅肖特基界面收集表面等离子体共振产生的热电子，拓展硅探测范围至禁带之外。有限差分时域（FDTD）仿真指导器件设计，电子束光刻实现精准纳米制造。实验结果显示：-2 V偏压下860 nm处响应率峰值达0.386 A W⁻¹，偏振峰谷比8.3，展示全硅光子学用于低成本、高性能NIR传感的潜力。

背景

光通信飞速发展需要廉价NIR偏振光电探测器（PD）。传统III-V和II-VI化合物（GaAs/InGaAs、TeCdHg）吸收系数高但生长昂贵且CMOS兼容性差。硅作为半导体工业基石，凭借成熟工艺、CMOS兼容性及硅光子学近期进展，成为光电子学可行平台。将硅纳米线探测器与光子结构结合，研究者开始探索包括偏振探测在内的新功能。

基于硅纳米线PD前期工作，本文提出全硅探测器，嵌入亚波长金属光栅，同时充当偏振器和谐振腔。设计应对三大挑战：(1)将硅纳米线灵敏度延伸至NIR；(2)集成紧凑偏振器；(3)通过集光结构增强响应率。所提架构融合亚波长金光栅、受控高度硅纳米线阵列、等离子体谐振器，促进肖特基界面热电子产生和内光发射（IPE），从而实现宽带、偏振敏感NIR探测。

方法/实验

全硅偏振探测器设计

图1a展示器件几何。轻掺n型硅（500 µm厚，1–10 Ω·cm）上制备硅纳米线阵列，周期400 nm，高度（H）100–300 nm，标准干法刻蚀工艺。金-硅界面形成肖特基势垒。图1b展示表面等离子体谐振器，由纳米线阵列上下金层组成。

图1c、d描绘不同偏压下Si-Au界面能带弯曲。光子能量超硅禁带（hν>E_g）通常产生电子-空穴对，仅吸收可见光。但金层内光发射效应（IPE）产生的热电子可跨越肖特基势垒，实现NIR探测。纳米线顶部亚波长金光栅亦作偏振器，通过几何参数调谐共振波长。

FDTD仿真

为优化结构实现高效NIR偏振探测，用Lumerical进行3D FDTD仿真。x、y向周期性边界，z向完美匹配层。TM偏振平面波沿z传播作为激发源。金光栅厚度85 nm、宽度200 nm、周期400 nm。硅衬底顶底反射透射监视器得吸收谱：A=1-R-T。

器件制造

电子束光刻制造器件。300 nm PMMA旋涂，180 °C烘烤12 min。JEOL 6300FS曝光后MIBK/IPA (1:3) 23 °C显影60 s。2%缓冲HF去除本征氧化层，热蒸发2 nm Cr/70 nm Au。60 °C丙酮剥离完成图案化。随后氟基等离子体反应离子刻蚀（RIE）将金光栅图案转移至硅形成纳米线阵列。最后全器件沉积15 nm Au形成谐振腔。

光电表征

0.7–1.1 µm波段用校准光源（OPM 35S）电学测量。记录光照和暗态下电流-电压（I-V）特性。

结果与讨论

图2a-d显示四器件变体剖面几何：(1)带焊盘平面Si，(2)平面Si上Au光栅，(3)Si纳米线上Au光栅，(4)完整谐振腔探测器。图2e-g给出仿真透射、反射、吸收谱。210 nm高纳米线阵列在860 nm吸收峰值，半高全宽（FWHM）~300 nm，归因于顶底金层间法布里-珀罗共振。图2h(iii)所示金属层间高电场强度指示高效等离子体-热电子转换。

偏振分析（图3a）显示860 nm峰值吸收，吸收随偏振角周期变化，峰谷比~17:1。优化光栅轮廓可进一步提升该比值。

SEM微图（图4）确认各结构制造保真度，谐振探测器呈现预期双层金腔和纳米线阵列。

电学测量（图5a）显示谐振探测器（结构4）在-2 V负偏压下光电流比其他结构高一个数量级。暗电流低（~27 nA），因纳米线电阻增加及15 nm Au/Si界面耗尽层。

暗I-V热发射模型分析得肖特基势垒高Φ_B≈0.57 eV，理想因子n≈1.43，确认热发射为主导输运机制。响应率峰值0.386 A W⁻¹，FWHM 150 nm，与仿真吸收谱吻合。响应率谱洛伦兹拟合得Φ_B≈0.58 eV，进一步验证IPE探测机制。

不同光照强度下（图6b）光电流线性缩放（I_ph=AP^θ, θ≈1），确认光电流由产生载流子数决定。-2 V下响应率0.386 A W⁻¹，0 V下0.146 A W⁻¹。

偏振灵敏度（图7）显示平面Au光栅、Au光栅-纳米线、谐振探测器峰谷比分别为5.6、6.4、8.3，证明谐振架构增强偏振探测能力。光电流随偏振角快速调制进一步确认器件适合偏振传感。

结论

演示一种全硅基光电探测器，集成亚波长金光栅、硅纳米线阵列、双层金谐振腔，实现NIR偏振探测。器件在-2 V偏压下860 nm峰值响应率0.386 A W⁻¹，偏振峰谷比8.3，超越常规硅PD在NIR波段性能。FDTD仿真证实探测波长可通过结构参数调谐，为未来应用提供灵活性。进一步优化光栅几何和减薄顶层金厚度有望提升响应率和偏振对比度，铺平低成本、高性能全硅NIR传感器之路。