带谐振腔的全硅光电探测器用于近红外偏振检测

背景

随着光通信的快速发展，越来越需要以低成本开发近红外 (NIR) 波长的偏振光电探测器 (PD)。尽管 III-V 族化合物（例如 GaAs/InGaAs 和 II-VI 族化合物（例如 TeCdHg）由于其相对较大的吸收系数而成为过去几十年中最成功的 PD 选择 [1,2,3,4,5]，增长的复杂性和制造的高成本始终是一般应用的最大问题。特别是在III-Vs和II-VIs中的PDs实现极化检测之前还有很长的路要走。作为半导体工业的主要材料，硅由于其独特的光学和电学特性 [6,7,8]、完善的工艺以及与已开发的 CMOS 技术的高度兼容性 [9]，近年来已成为光电器件。 .此外，硅光子学的最新成果 [10, 11] 为通过将 Si 纳米线探测器 [12, 13] 与光子结构集成以用于偏振检测等新应用来实现新型 PDs 提供了有希望的途径。

基于我们早期开发基于硅纳米线 (Si NW) 的 PD [12] 的成功，本文进一步提出了一种新形式的全硅光电探测器，通过将亚波长金属光栅与硅纳米线集成来实现近红外 (NIR) 偏振检测) 波长。要完成这一任务，需要解决以下三个问题。首先，传统的基于 Si 纳米线的 PD 在可见光波长 (0.4-0.7 μm) 下工作，将 Si 纳米线探测器驱动到 NIR 状态是必不可少的 [13, 14]。其次，需要在探测器中内置一个小型化的光偏振器进行偏振检测。第三，由于 Si 在 NIR 中的吸收系数低，因此需要光捕获结构来提高响应度。为了满足所有这些要求，这项工作开发了一种新型的硅器件结构，它由作为偏振器的亚波长金属光栅、用于光收集的具有一定高度的硅纳米线阵列以及用于波长选择和用于光收集的表面等离子体谐振器组成。热电子 [15,16,17,18,19,20] 在 Au/硅界面的肖特基势垒上的发射和扩散，以在光照下产生额外的光电流。这种基于谐振腔的策略不仅将 Si 的带边扩展到红外区域，而且还通过偏振敏感检测拓宽了光响应的带宽。本文报告了我们最近在解决所有这些问题方面取得的进展。

方法/实验

全硅偏振检测器的设计

图1a是该装置的示意图。间距为 400 nm 且高度为 (H ) 从 100 nm 到 300 nm，通过传统的干蚀刻工艺在轻 n 型掺杂的硅衬底（500 μm 厚，1-10 Ω cm）上制造。在金属光栅-半导体 (MS) 界面中建立了肖特基势垒。图 1b 显示了位于顶部和底部金属层之间的表面等离子体谐振器，围绕着 Si NW。

硅中谐振器调谐 MS 光电探测器的示意图及其光电原理。 一 , b 探测器示意图。 c , d 在有和没有 DC 偏置的 IR 照明下，简单 MS 结的能带。 e 表面等离激元内部热电子发射示意图

图 1c 和 d 分别是在没有或有直流偏置的照明下，靠近 MS 界面的 Si 中的带弯曲图。只有当光子的能量满足hν时才会产生光电子> E g , 其中 h 是普朗克常数和 E g 是 Si 带隙，对应于可见波长的检测。然而，如图 1e 所示，金属层中的表面等离子体激元通过内部光电发射效应 (IPE) [10, 11, 15] 产生的热电子可以扩散到 Si 衬底并流过肖特基势垒作为额外的照片-current，启用在 NIR 中的检测。此外，在这种情况下，纳米线顶部的亚波长 Au 光栅充当偏振器和谐振器，调谐检测波长，由结构尺寸决定。

FDTD 模拟

为了优化在 NIR 波长下具有高量子效率的偏振检测器件结构，系统地进行了使用 Lumerical 软件包的 3D 有限差分时域 (FDTD) 模拟研究。在模拟中，沿 x 的周期性边界条件 和 y 和沿 z 完美匹配的层 方向被采纳。与 x 平行的具有 TM 模式的平面波 轴，作为光刺激源，沿 z 方向传播。 Au光栅的厚度、宽度和间距分别设置为85 nm、200 nm和400 nm。反射监视器放置在模拟区域的顶部，透射监视器放置在硅衬底的底部。从测量的反射（R ) 和传输 (T )，使用 A =1-R -T .

设备制造

使用基于电子束光刻的工艺对设计的金属/半导体光电探测器进行纳米制造。在n型硅（1-10 Ω cm，<100>取向）上，首先旋涂Micro-Chem Ltd.提供的300nm厚的PMMA，然后在热板上软烘烤12在 180 °C 下，分钟。在 JEOL 6300FS 的电子束写入器进行电子束曝光后，曝光的抗蚀剂在 MIBK/IPA (1:3) 溶液中在 23 °C 下显影 60 秒，最后在 IPA 溶液中彻底冲洗 15 秒。在 2% 缓冲的 HF 中进行湿蚀刻以去除硅上的天然氧化物。将样品立即转移到热蒸发器中，用于沉积 2-nm Cr/70-nm Au。 2-nm Cr 对于确定肖特基势垒高度和将 Au 光栅粘附到硅上至关重要。然后通过在 60 °C 的丙酮中剥离除去不需要的材料。样品最后在充足的异丙醇中漂洗并用压缩 N2 干燥。通过这个阶段，形成了一个带有方形窗口的大焊盘。然后，在 Cr/Au 中显示为亚波长光栅的顶部电极放置在方形窗口中，并通过与上述相同的过程使用配准技术与焊盘连接。使用图案化的金属结构作为蚀刻掩模，在 Samco 蚀刻机中进行氟基等离子体中的反应离子蚀刻 (RIE) 以形成 Si 纳米线。最后，在整个器件上沉积 15 nm Au 薄膜以形成谐振腔，如图 1b 所示。

光电表征

使用传统的光电响应设置，在 0.7-1.1 μm 的波长范围内系统地表征了制造的探测器的光电特性。光源由OPM 35S Ltd提供的功率计校准。

结果与讨论

图 2a-d 示意性地描绘了器件结构的 2D 横截面。为了理解工作机制，四种器件结构，Si衬底上的焊盘包围的平面Si表面（图2a中的Str.1），Si表面上的Au光栅（图2b中的Str.2） , 一个 Au 光栅，然后是 210 nm-H Si NW（图 2c 中的 Str.3）和谐振器调谐装置（图 2d 中的 Str.4）进行了比较。透射、反射和吸收的模拟光谱分别如图 2e-g 所示。对于波长为 860 nm 的光，计算了 Si NW 高度为 210 nm 的器件中的电场分布。图 2h (i-iii) 分别显示了设备 Str.2、Str.3 和 Str.4 的结果。

在这项工作中研究的四种设备的图表和设备的 FDTD 模拟结果。 一 Str.1：平面硅衬底。 (b ) 海峡。 2：Si衬底顶部的Au光栅。 (c ) 海峡。 3：Si NW阵列顶部的Au光栅。 (d ) Str.4：完全制造的探测器，在 Si NW 阵列的顶部和底部都有 Au 光栅。 e –g 分别通过四种结构的透射、反射和吸收光谱的模拟结果。 h b中三种结构中电场分布的模拟结果 , c , 和 d ,分别,入射光波长为860 nm

图 2e 和 g 中显示的模拟结果描绘了所提出的光电探测器在 0.7-1.1 μm 波长下的光传输/吸收过程的非常有趣的图片。虽然该器件由 TM 偏振光（垂直于 NW 方向的电场）照射，但 Str.1（图 2a）通过平面硅的透射率大多高于 50%，对应于 Si 的低吸收，如预期的。在平面硅表面添加 Au 光栅，如结构 Str.2（图 2b）所示，只会导致透射率降低 10-20%。对于图 2d 所示的光电探测器结构（Str.4），0.7-0.8 μm 的透射率显着增强，甚至超过了通过平面硅的透射率（原因仍有待研​​究）。然而，更显着的特征是波长为 0.825-0.875 μm 的透射和反射（图 2f）对于 210 nm-H 显着降低 ，并且吸收量远高于其他结构中的吸收量。这种吸收增加背后的物理图像可以通过法布里-珀罗腔中的谐振模式来解释，该谐振模式由硅纳米线旁边顶部和底部的两种金属形成。存在于顶部和底部 Au 层之间的高电场，如图 2h（iii）所示，FDTD 模拟在 860 nm 波长处，代表表面等离子体的共振模式。据信，共振能量的吸收被转化为通过等离子体衰变在金属层中以高效率产生热电子。这种显着的吸收特性为设计的 Au/Si 肖特基势垒探测器在 NIR 中进行新型光电子探测奠定了坚实的基础。特别是，图 2g 还表明谐振器调谐光电探测器在半高全宽 (FWHM) 高达 300 nm 处表现出吸收。

此外，对于偏振检测，Si纳米线顶部的亚波长金属光栅也是一个偏振器，将入射光转换为TM偏振光。还通过计算图 2d 中设计的谐振器结构的吸收光谱来研究偏振特性。图 3a 显示了当纳米线高度 (H ) 为 210 nm，其中 0° 对应于平行于 y 的偏振 -轴。图 3a 中波长-偏振角-吸收的 3D 图表明最大吸收发生在 860 nm 波长处，这与图 2g 中的峰值位置一致。在图 3b 中，吸收随偏振角的严格周期性变化产生了~ 17:1 的延伸比（峰/谷）。为了进一步提高这个比率，需要优化光栅轮廓。

具有表面等离子体谐振器的光电探测器偏振特性的理论结果。 一 不同偏振角下光吸收光谱的偏振相关性。沿Au光栅的方向定义0°的偏振角。 b 入射波长为860 nm时的偏振相关吸收强度

图 4 显示了制造的四种结构：具有方形窗口的平面 Si 衬底上的焊盘（图 4a），方形窗口中对准的 Au 光栅平面 Si（图 4b），Au 光栅-Si分别为 NW 设备（图 4c）和最终谐振器调谐设备（图 4d）。器件布局俯视图的整体尺寸为200 μm × 100 μm，方形窗口尺寸为80 μm × 80 μm。与设计相对应，Au 光栅线和间距分别为 200 nm 和 400 nm。器件在氮气中在 350 °C 下退火 10 分钟，旨在减少纳米线的表面缺陷 [21, 22]。

制造的 MS 光电子探测器的扫描电子显微镜 (SEM) 显微照片。 一 Str.1：仅带焊盘的器件概览。 b Str.2：位于方形窗口内的 Au 光栅平面 Si。 c Str.3：Au 光栅-Si NW 器件的截面图。 d Str.4：最终制成的带有谐振腔的器件的横截面图

图 5a 描绘了电流-电压 (I -V ) 曲线在 16.6 mW/cm ² 分别在 860 nm 波长处。在从顶部电极到硅衬底的负直流偏置下，基于表面等离子体谐振器的光电探测器（Str.4）具有 210 nm-H 尽管正偏压中的电流相互一致，但电流增加了一个数量级，这是四​​个器件中最高的光电流。与 Au 光栅-Si NW 器件（Str.3）相比，谐振器调谐器件（Str.4）在光照下实现了更大的电流，这揭示了额外的金属膜结构引起的额外光电流的存在（图. 1e).

从制造的全硅探测器获得的测量结果。 一 轻对数 I -V 16.6 mW/cm ² 光照强度下的曲线 . b 暗对数 I -V 曲线。 c - 2 V偏压和16.6 mW/cm ² 光强下的响应谱 . d 16.6 mW/cm ² 强度下860 nm波长响应度的偏差相关性

我 -V 使用热电子发射模型进一步分析黑暗中的特征 [10, 23]。热电子发射电流由下式给出：\( I={AA}^{\ast }{T}^2\exp \left(-\frac{q{\Phi}_B}{kT}\right)\left[ \exp \left(\frac{qV}{nkT}\right)-1\right] \)，其中 A 是接触结的面积，A * 是理查森常数 (≈ 112 A cm ⁻² K ⁻² 对于 n 型 Si), T 是温度，ΦB 是肖特基势垒高度，k 是玻尔兹曼常数，q 是电子电荷，n 是理想因子，V 是结上的电压降。 ΦB 和 n 可以通过lg I的线性拟合提取 -V 在正向偏置线性区域，如图 5b 所示。 q ΦB 和 n 发现谐振器调谐设备（Str. 4）的 0.57 ± 0.016 eV 和 1.43 ± 0.028 调整了 R ² 分别为 0.99644。理想因子接近于 1，这表明热电子发射是主要的电流机制。反向偏置行为 (- 2, 0) 显示在图 5b 的插图中，它显示了在 Str.4 中实现的最低暗电流 (~ 27 nA)。有两个因素可能有助于降低暗电流：一是纳米线电阻的增加，二是由于在 15 nm 厚的 Au 层和硅之间存在薄的界面耗尽层，电导率降低。

众所周知，响应度 (R λ) 是光学器件的关键参数，可以定义为 R λ =I ph/PS , 其中 I ph 是光电流 (I 光-我 暗），P 是光照强度，S 是整体光电传感面积，它是从顶视图测量的所有布局的实际面积[12]。如图 5c 所示，基于谐振腔的光电探测器（Str. 4）的响应谱显示最大值为 0.386 A W ^-1 在- 2 V的偏压下，在860 nm的波长附近和150 nm的FWHM。这样的峰值响应率与FDTD方法模拟的最大吸收一致，如图2g所示。这些结果再次证明了金属层中存在等离子体热电子。然而，其他三个器件的响应度为 0.007 A W ⁻¹ , 0.09 A W ⁻¹ , 和 0.121 A W ⁻¹ ， 分别。更重要的是，在 0.7-1.1 μm 的波长范围内没有观察到峰值。此外，考虑到由等离子体吸收光谱 S 修改的福勒响应 [20] (v ):R (v ) =η 我 ⋅ S (v ) 和 \( {\eta}_i\approx {\mathrm{C}}_F\frac{{\left( hv-q{\phi}_B\right)}^2}{hv} \)，它描述了结构中具有足够能量以克服势垒的“可用”电子的数量 [24,25,26,27]。在此基础上，拟合Str的实验响应度。 4 如图 5c 所示，S(v )，肖特基势垒高度为 0.578 ± 0.0127 eV，调整了 R ² 得到了 0.94611，与上述 0.57 eV 相似，表明主要检测机制是 IPE。作为一个额外的好处，这种基于谐振器的光电探测器通过对器件施加负偏压来提供显着的光电流调谐，提供对响应度的良好控制，如图 5d 所示。它还在 0 V 偏置下显示出 0.146 A/W 的相当大的响应率。

所制造器件的光电响应特性的表征表明设计的光电探测器能够在 NIR 区域工作。有和没有谐振器的器件之间光电子响应率的实验比较为我们提供了强有力的证据，证明 NIR 中光的谐振吸收，导致 Au 光栅/Si 肖特基界面中的内部光子发射 (IPE) .当产生的热载流子获得足够的能量来克服肖特基势垒时，额外的光电流被硅衬底收集。然而，与传统探测器相比，测得的响应率仍低于平均值。考虑到它们的扩散长度为~ 35 nm [16]，应通过将顶部 Au 层厚度降低至 30 nm 来进一步改进，以便大部分产生的热电子能够扩散到硅中。

图 6a 显示了测量的 I -V 如图 2d 所示，在 860 nm 波长的各种光照强度下，制造的带有谐振器（Str.4）的光电探测器的曲线。图 6b 显示了光电流 (I ph) 和响应度 (R λ) 在 - 2 V 下作为光强的函数。在入射光强范围从 5.2 到 16.6 mW/cm ² , 光电探测器显示线性响应，光电流为 6.05 × 10 ⁻⁸ 到 1.28 × 10 ⁻⁶ A，对应响应度从 0.058 到 0.386 A W ⁻¹ .在图 6b 中，实心方块是实验数据，实线是对简单幂律的拟合，I ph =AP ^θ , 其中 A 是一个常数，P 是光强度，1 的 θ 是指数，这证实光电流主要由光生载流子的数量决定 [28,29,30,31]。方波入射光对光电流的修正再次证明了光电子检测，如图6c所示，光强依赖性明显。

具有等离子体谐振器的制造探测器的光电子特性。 一 对数 I -V 在黑暗和不同光照强度下测得的探测器曲线。 b 在- 2 V偏置下响应度随光照强度变化的曲线。c - 2 V偏置下不同光照强度下光电探测器的I-t响应

制造的 Au 光栅-平面 Si（图 4b）、Au 光栅-Si NW（图 4c）和谐振腔调谐器件（图 4d）的偏振灵敏度也使用 16.6 mW/厘米 ² 在- 2 V偏置下，如图7所示。这三种器件的光电流峰谷比分别为5.6、6.4和8.3。它展示了具有谐振腔的全硅光电探测器比具有 Au 光栅-Si NW 结构的探测器具有更强的偏振相关探测。此外，由偏振角调谐的光电流的快速响应如图 7b 所示，证明了所制造的 3D 谐振器结构的偏振检测。

通过制造的全硅光电探测器进行偏振检测的实验演示。 一 光电子电流的极化依赖性。 b 谐振腔调谐 MS 探测器在 16.6 mW/cm ² 下的光电流响应 在- 2 V的直流偏压下测量不同偏振角的入射光。偏振角用黑色箭头标记在其对应的光电流上

结论

将硅上 Au 中的亚波长光栅作为蚀刻掩模和偏振器，Si 纳米线作为探测器材料，以及由双层 Au 光栅形成的等离子体谐振器，这项工作成功地提出了一种基于全硅的新型光电探测器在 NIR 波长下进行偏振检测的纳米线阵列。结果表明，该器件的响应度高达 0.386 A W ⁻¹ 在 - 2 V 的直流偏置下，这分别与全硅红外探测器的预期值相当且更大。此外，还实现了偏振检测，并且在波长为 860 nm 的入射偏振光下观察到光电流的峰谷比为 8.3。器件性能的 FDTD 模拟表明，可以在 NIR 范围内调整检测波长，这由器件结构决定。结构尺寸和纳米加工条件的优化必将显着提高延伸率。研究结果对全硅纳米线偏振探测器的进一步发展具有指导意义。

缩写

3D：

三维

DC：

直流电

EBL：

电子束光刻

FDTD：

有限差分时域

FWHM：

半高全宽

IPE：

内部光电效应

I -V ：

电流-电压

MS：

金属半导体

近红外：

近红外

西北：

纳米线

PD：

光电探测器

RIE：

反应离子蚀刻

SEM：

扫描电子显微镜