近赤外偏光検出用の共鳴空洞を備えたAll-Si光検出器

背景

光通信の急速な進歩に伴い、近赤外（NIR）波長の偏光光検出器（PD）を低コストで開発する必要性が高まっています。 GaAs / InGaAsなどのIII-V化合物、およびTeCdHgなどのII-VI化合物は、吸収係数が比較的大きいため、過去数十年間でPDの最も成功したオプションでした[1,2,3,4,5]。成長の複雑さと製造コストの高さは、一般的なアプリケーションにとって常に最大の問題です。特に、III-VおよびII-VIのPDによって偏光検出が実現されるまでにはまだ長い道のりがあります。半導体産業の主要な材料であるシリコンは、その明確な光学的および電気的特性[6,7,8]、確立されたプロセス、および開発されたCMOS技術との高い互換性[9]により、近年オプトエレクトロニクスデバイスとして浮上しています。 。さらに、シリコンフォトニクスの最近の成果[10、11]は、偏光検出などの新しいアプリケーション向けに、Siナノワイヤ検出器[12、13]をフォトニック構造と統合することにより、新しい形式のPDを実現するための有望な経路を提供します。

Siナノワイヤ（Si NW）ベースのPDの開発における以前の成功[12]に基づいて、この論文では、近赤外（NIR）で偏光検出を実現するために、サブ波長金属格子をシリコンナノワイヤと統合することにより、新しい形式の全Si光検出器をさらに提案します。 ）波長。このタスクを実行するには、次の3つの問題を解決する必要があります。まず、従来のSiナノワイヤベースのPDは可視波長（0.4–0.7μm）で動作するため、Siナノワイヤ検出器をNIR領域に駆動することが不可欠です[13、14]。第二に、偏光検出のために、小型化された光学偏光子を検出器に組み込む必要があります。第三に、NIRにおけるSiの吸収係数が低いため、応答性を高めるために集光構造が望まれます。これらすべての要件を満たすために、この作業では、偏光子としてのサブ波長金属格子、集光用の特定の高さのシリコンナノワイヤアレイ、そして最後に波長選択用および用の表面プラズモン共振器で構成される、シリコンの新しいデバイス構造を開発しました。照射下で余分な光電流を生成するための、Au /シリコン界面のショットキー障壁を越えたホットエレクトロン[15、16、17、18、19、20]の放出と拡散。この共鳴空洞ベースの戦略は、SiのバンドエッジをIRレジームに拡張するだけでなく、偏光に敏感な検出で光応答の帯域幅を広げます。このペーパーでは、これらすべての問題への取り組みにおける最近の進捗状況を報告します。

メソッド/実験

All-Si偏光検出器の設計

図1aはデバイスの概略図です。 400 nmのピッチと高さ（ H ）のSiナノワイヤアレイ ）100nmから300nmは、従来のドライエッチングプロセスにより、軽くn型にドープされたシリコン基板（厚さ500μm、1–10Ωcm）上に製造されました。金属格子-半導体（MS）界面にショットキー障壁が確立されました。図1bは、SiNWを囲む上部と下部の金属層の間の表面プラズモン共振器を示しています。

シリコン中の共振器で調整されたMS光検出器の概略図とその光電子原理。 a 、 b 検出器の図。 c 、 d DCバイアスがある場合とない場合のIR照明下での単純なMS接合のエネルギーバンド。 e 表面プラズモンからのホットエレクトロンの内部放出を示す図

図1cとdは、それぞれDCバイアスなしまたはDCバイアスありの照明下でのMS界面付近のSiのバンドベンディングの図です。光子は、光子のエネルギーがhνを満たす場合にのみ生成されました。> E _g 、ここで h プランク定数であり、 E _g は、可視波長での検出に対応するSiバンドギャップです。ただし、図1eに示すように、金属層の表面プラズモンによって内部光電子放出効果（IPE）[10、11、15]によって生成されたホットエレクトロンは、Si基板に拡散し、追加の写真としてショットキー障壁を越えて流れる可能性があります。 -電流、NIRでの検出を有効にします。さらに、このシナリオでは、ナノワイヤ上部のサブ波長Au格子は、構造の寸法によって決定される検出波長を調整する偏光子および共振器として機能します。

FDTDシミュレーション

NIR波長で高い量子効率を備えた偏光検出用のデバイス構造を最適化するために、Lumericalソフトウェアパッケージを使用した3D有限差分時間領域（FDTD）シミュレーション研究が体系的に実行されました。シミュレーションでは、 x に沿った周期境界条件 および y z に沿った完全一致レイヤー 方向性を採用しました。 x に平行なTMモードの平面波 -光刺激源として機能する軸は、z方向に沿って伝播します。 Au格子の厚さ、幅、ピッチは、それぞれ85 nm、200 nm、400nmに設定されています。シミュレーション領域の上部に反射モニターを配置し、Si基板の下部に透過モニターを配置しました。デバイスの光吸収スペクトルは、測定された反射（ R ）および送信（ T ）、 A を使用 =1- R - T 。

デバイス製造

設計されたままの金属/半導体光検出器のナノファブリケーションは、電子ビームリソグラフィーベースのプロセスを使用して実行されました。 n型シリコン（1–10Ωcm、<100>配向）では、Micro-ChemLtd。が提供する厚さ300nmのPMMAを最初にスピンコーティングし、次にホットプレート上で12分間ソフトベークしました。 180°Cで最小。 JEOL 6300FSのビームライターによる電子ビーム露光後、露光されたレジストは、23°Cで60秒間MIBK / IPA（1：3）溶液で現像され、IPA溶液で15秒間徹底的にリンスされて終了しました。 2％緩衝HFでのウェットエッチングを適用して、シリコン上の自然酸化物を除去しました。サンプルはすぐに熱蒸発器に移され、2 nm Cr / 70 nmAuが堆積されました。 2 nm Crは、ショットキー障壁の高さを決定し、Au格子をシリコンに接着するために重要です。次に、60°Cでアセトン中でリフトオフすることにより、不要な物質を除去しました。最後に、サンプルを十分なイソプロパノールですすぎ、圧縮されたN ₂ で乾燥させました。 。この段階までに、正方形の窓を備えた大きなボンディングパッドが形成されました。次に、Cr / Auでサブ波長格子として現れる上部電極を正方形の窓に置き、登録技術を使用して、上記と同じプロセスでパッドに接続しました。パターン化された金属構造をエッチングマスクとして使用し、フッ素ベースのプラズマでの反応性イオンエッチング（RIE）をSamcoエッチャーで実行してSiナノワイヤーを形成しました。最後に、図1bに示すように、15 nmのAu膜をデバイス全体に堆積させて、共振空洞を形成しました。

光電特性評価

製造された検出器の光電子特性は、従来の光電子応答セットアップを使用して、0.7〜1.1μmの波長で体系的に特徴付けられました。光源は、OPM 35SLtdが提供するパワーメーターによって調整されました。

結果と考察

図2a〜dは、デバイス構造の2D断面を概略的に示しています。動作メカニズムを理解するために、4種類のデバイス構造、Si基板上のボンディングパッドで囲まれた平面Si表面（図2aのStr.1）、Si表面上のAuグレーティング（図2bのStr.2） 、Au格子の後に210 nm- H Si NW（図2cのStr.3）と共振器調整デバイス（図2dのStr.4）を比較しました。透過、反射、吸収のシミュレーションスペクトルをそれぞれ図2e–gに示します。 SiNWの高さが210nmのデバイスの電界分布は、波長860nmの光について計算されました。図2h（i–iii）は、それぞれデバイスStr.2、Str.3、およびStr.4の結果を示しています。

この作業で調査した4つのデバイスの図と、デバイスからのFDTDシミュレーション結果。 a Str.1：平面Si基板。 （ b ）Str。 2：Si基板の上部にあるAuグレーティング。 （ c ）Str。 3：SiNWアレイの上部にあるAuグレーティング。 （ d ）Str.4：SiNWアレイの上部と下部の両方にAu格子を備えた完全に製造された検出器。 e – g 4つの構造をそれぞれ通過する透過、反射、および吸収スペクトルのシミュレーション結果。 h b に示す3つの構造の電界分布のシミュレーション結果 、 c 、および d 、それぞれ、入射光の波長は860 nm

図2eおよびgに示されているシミュレーション結果は、0.7〜1.1μmの波長で提案された光検出器の光透過/吸収プロセスの非常に興味深い画像を示しています。このデバイスはTM偏光（北西方向に垂直な電界）で照らされていましたが、Str.1（図2a）の平面シリコンを通過する透過率はほとんど50％を超えており、Siによる吸収が低いことに対応しています。期待される。構造Str.2（図2b）に示すように、平面シリコン表面にAu格子を追加すると、透過率が10〜20％低下します。図2dに示す光検出器構造（Str.4）の場合、0.7〜0.8μmの透過率は、平面シリコンを通過する透過率を超えても大幅に向上します（理由はまだ調査する必要があります）。ただし、より顕著な特徴は、0.825〜0.875μmの波長での透過と反射（図2f）が210nm- H で大幅に減少することです。 、および吸収は他の構造のものよりもはるかに高くなっています。このような吸収の増加の背後にある物理的状況は、Siナノワイヤの横にある上部と下部の2つの金属によって形成されたファブリペロー空洞の共鳴モードによって解釈できます。波長860nmでのFDTDシミュレーションによって図2h（iii）に示されているように、上部と下部のAu層の間に存在する高電界は、表面プラズモンの共鳴モードを表しています。共鳴エネルギーの吸収は、高効率でのプラズモン崩壊を介して金属層にホットエレクトロンを生成するように変換されたと考えられています。このような顕著な吸収特性は、設計されたAu / Siショットキーバリア検出器によるNIRでの新しい光電子検出の確固たる基盤を築きます。特に、図2gは、共振器で調整された光検出器が、300 nmまでの半値全幅（FWHM）で吸収を示すことも示しています。

さらに、偏光検出では、Siナノワイヤの上部にあるサブ波長の金属格子も偏光子であり、入射光をTM偏光に変換します。分極特性は、図2dで設計された共振器構造の吸収スペクトルを計算することによっても研究されました。図3aは、ナノワイヤの高さ（ H ）での0.7〜1.1μmの角度依存吸収スペクトルを示しています。 ）は210 nmでした。ここで、0°は y に平行な偏光に対応します。 -軸。図3aの波長偏光角吸収の3Dプロットは、最大吸収が860 nmの波長で発生することを示しています。これは、図2gのピーク位置と一致しています。図3bの偏光角による吸収の厳密に周期的な変化は、〜17：1の伸長比（ピーク/谷）を生じさせます。この比率をさらに高めるには、グレーティングプロファイルを最適化する必要があります。

表面プラズモン共振器を備えた光検出器の偏光特性の理論的結果。 a 異なる偏光角での光吸収スペクトルの偏光依存性。偏光角の0°は、Au格子の方向に沿って定義されました。 b 入射波長860nmの偏光依存吸収強度

図4は、製造された4種類の構造を示しています。正方形のウィンドウを備えた平面Si基板上のボンディングパッド（図4a）、正方形のウィンドウに登録されたAuグレーティング-平面Si（図4b）、Auグレーティング-Si NWデバイス（図4c）、および最終的な共振器調整デバイス（図4d）。上面から見たデバイスレイアウトの全体的な寸法は200μm×100μmで、正方形のウィンドウの寸法は80μm×80μmです。設計に対応して、Auグレーティングの線とスペースはそれぞれ200nmと400nmです。ナノワイヤの表面欠陥を減らすことを目的として、350°Cで10分間の窒素ガス中でのデバイスのアニーリングが行われました[21、22]。

作製したMS光電子検出器の走査型電子顕微鏡（SEM）による顕微鏡写真。 a Str.1：ボンディングパッドのみのデバイスの概要。 b Str.2：正方形の窓の内側にあるAu格子平面Si。 c Str.3：Auグレーティング-SiNWデバイスの断面図。 d Str.4：共振空洞を備えた最終的に製造されたデバイスの断面図

図5aは、電流-電圧（ I ）を示しています。 - V ）16.6 mW / cm ² の照明下で4つの異なるデバイスから取得した曲線 それぞれ860nmの波長で。上部電極からシリコン基板への負のDCバイアスの下で、210 nm- H の表面プラズモン共振器ベースの光検出器（Str.4） 正バイアスの電流が互いに一致しているにもかかわらず、4つのデバイスの中で最も高い光電流である1桁の電流の増加を示しています。 Auグレーティング-SiNWデバイス（Str。3）と比較して、共振器調整デバイス（Str.4）は、照明下でより大きな電流を実現します。これにより、追加の金属膜アーキテクチャによって引き起こされる余分な光電流の存在が明らかになります（図。1e）。

製造されたオールシリコン検出器から得られた測定結果。 a 軽い対数 I - V 16.6 mW / cm ² の照明強度での曲線 。 b 暗い対数 I - V 曲線。 c − 2Vのバイアスと16.6mW / cm ² の光強度の下での応答スペクトル 。 d 16.6 mW / cm ² の強度での860nm波長に対する応答性のバイアス依存性

私 - V 暗所での特性は、熱電子放出モデルを使用してさらに分析されます[10、23]。熱電子放出電流は次の式で与えられます：\（I ={AA} ^ {\ ast} {T} ^ 2 \ exp \ left（-\ frac {q {\ Phi} _B} {kT} \ right）\ left [ \ exp \ left（\ frac {qV} {nkT} \ right）-1 \ right] \）、ここで A 接触接合部の面積、 A *はリチャードソン定数です（≈112Acm ⁻² K ⁻² n型Siの場合）、 T は温度、Φ _B はショットキー障壁の高さ、 k はボルツマン定数、 q は電荷、 n は理想的な要素であり、 V 接合部での電圧降下です。 Φ _B および n lg I の線形フィッティングを介して抽出できます - V 図5bに示すように、順方向バイアス線形領域で。 q Φ _B および n 共振器調整デバイス（Str。4）の場合、調整された R で0.57±0.016eVおよび1.43±0.028であることがわかります。 ² それぞれ0.99644の。理想係数は1に近く、熱電子放出が主な電流メカニズムであることを示しています。逆バイアス動作（− 2、0）を図5bの挿入図に示します。これは、Str.4で達成された最低の暗電流（〜27 nA）を示しています。 2つの要因が暗電流の低減に役立つ可能性があります。1つはナノワイヤ抵抗の増加であり、もう1つは15nmの厚さのAu層とシリコンの間の薄い界面空乏層による導電率の低下です。

応答性（ R _λ ）は光デバイスの重要なパラメータであり、 R として定義できます。 _λ =私 _ph / PS 、ここで I _ph 光電流です（ I _ライト -私 _暗い ）、 P は光度、 S は全体的な光電子センシング領域であり、上面図から測定されたすべてのレイアウトの実際の領域です[12]。図5cに示すように、共鳴空洞ベースの光検出器（Str。4）による応答スペクトルは、最大0.386 A W ^-1 を示しています。 図2gに示すように、このようなピーク応答性は、FDTD法によってシミュレートされた最大吸収と一致します。これらの結果は、金属層にプラズモンホットエレクトロンが存在することを示しています。ただし、他の3つのデバイスは、0.007 A W ^-1 の応答性を生じます。 、0.09 A W ^-1 、および0.121 A W ^-1 、 それぞれ。さらに重要なことに、0.7〜1.1μmの波長全体でピークが観察されません。さらに、プラズモン吸収スペクトル S によって修正されたファウラー応答[20]を考慮します。 （ v ）： R （ v ）=η _i ⋅ S （ v ）、および\（{\ eta} _i \ approx {\ mathrm {C}} _​​ F \ frac {{\ left（hv-q {\ phi} _B \ right）} ^ 2} {hv} \）、ポテンシャル障壁を克服するのに十分なエネルギーを持つ構造内の「利用可能な」電子の数[24、25、26、27]。これに基づいて、Strの実験的責任をフィッティングします。 S（ v のローレンツ線形状による図5cに示すように、4 ）、調整された R でのショットキー障壁の高さ0.578±0.0127eV ² 0.94611が得られました。これは、上記の0.57 eVと同様であり、主な検出メカニズムがIPEであることを示しています。追加の利点として、この共振器ベースの光検出器は、図5dに示すように、デバイスに負のバイアスを印加することで大幅な光電流調整を提供し、応答性を適切に制御します。また、0Vバイアスで0.146A / Wのかなりの応答性を示します。

製造されたデバイスの光電子応答特性の特性評価は、設計された光検出器がNIR領域で機能できることを示しています。共振器がある場合とない場合のデバイス間の光電子応答性の実験的比較は、NIRでの光の共鳴吸収の強力な証拠を提供し、Auグレーティング/ Siショットキー界面での内部光子放出（IPE）につながります。生成されたホットキャリアがショットキー障壁を克服するのに十分なエネルギーを得ると、余分な光電流がシリコン基板によって収集されます。ただし、測定された応答性は、従来の検出器と比較して、依然として平均値を下回っています。上部のAu層の厚さを30nmまで減らして、生成されたホットエレクトロンの拡散長が〜35 nmであることを考慮して、ほとんどのホットエレクトロンがシリコンに拡散できるようにすることで、さらに改善する必要があります[16]。

図6aは、測定された I を示しています。 - V 波長860nmでのさまざまな照明強度の下での図2dに示すように、共振器（Str.4）を備えた製造された光検出器の曲線。図6bは、光電流（ I ）を示しています。 _ph ）と責任（ R _λ ）− 2 V未満の光強度の関数として。入射光強度の範囲は5.2〜16.6 mW / cm ² 、光検出器は、6.05×10 ^-8 の光電流で線形応答を示します 〜1.28×10 ^-6 A、0.058から0.386 A W ^-1 の応答性に対応 。図6bでは、実線の四角は実験データであり、実線は単純なべき乗則 I に適合しています。 _ph = AP ^θ 、ここで A は定数、 P は光強度であり、θの1は指数であり、これは、光電流が主に光生成キャリアの量によって決定されることを確認します[28、29、30、31]。光電子検出は、図6cに示すように、方形波の入射光によって変更された光電流によって再び示されます。これは、明確な光強度依存性を示しています。

プラズモン共振器を備えた作製された検出器の光電子特性。 a 対数 I - V 暗所およびさまざまな照明強度で測定された検出器の曲線。 b − 2Vのバイアス下での照明強度に応じて変化する応答性の曲線。 c − 2Vバイアスでのさまざまな照明強度下での光検出器のI-t応答

製造されたAuグレーティング-平面Si（図4b）、Auグレーティング-Si NW（図4c）、および共鳴空洞調整デバイス（図4d）の偏光感度も、16.6 mW /の偏光を使用して特性評価されました。 cm ² 図7に示すように、− 2 Vバイアス下で。これら3つのデバイスの光電流のピークと谷の比率は、それぞれ5.6、6.4、および8.3です。これは、Auグレーティング-Si NW構造よりも、共鳴空洞を備えたall-Si光検出器によるより強力な偏光依存検出を示しています。さらに、偏光角によって調整された光電流の高速応答が図7bに示され、製造された3D共振器アーキテクチャによる偏光検出を示しています。

製造された全Si光検出器による偏光検出の実験的デモンストレーション。 a 光電子電流の偏光依存性。 b 16.6 mW / cm ² での共振器調整MS検出器の光電流応答 − 2 VのDCバイアスで測定された異なる偏光角の入射光。偏光角は、対応する光電流に黒い矢印でマークされています

結論

エッチングマスクと偏光子の両方としてシリコン上のAuのサブ波長グレーティング、検出器材料としてのSiナノワイヤ、およびAuグレーティングの二重層によって形成されたプラズモニック共振器を組み合わせて、この作業は、all-Siに基づく新しい光検出器の提案に成功しました。 NIR波長での偏光検出を備えたナノワイヤアレイ。このデバイスの応答性は0.386A W ^-1 まで高いことが示されました。 − 2 VのDCバイアスで、これはそれぞれ、全SiIR検出器に期待される値に匹敵します。さらに、偏光検出も達成され、波長860nmの入射偏光下での光電流のピーク対谷比8.3が観察されました。デバイス性能のFDTDシミュレーションは、デバイス構造によって決定されるNIRレジームで検出波長を調整できることを示唆しています。構造寸法とナノ加工条件の両方を最適化することで、伸び率が大幅に向上します。この作業で得られた結果は、実用的なアプリケーションに向けた全Siナノワイヤベースの偏光検出器のさらなる開発に役立ちます。

略語

3D：

三次元

DC：

直流

EBL：

電子ビームリソグラフィー

FDTD：

有限差分時間領域

FWHM：

半値全幅

IPE：

内部光電子放出効果

I - V ：

電流-電圧

MS：

金属半導体

NIR：

近赤外線

NW：

ナノワイヤー

PD：

光検出器

RIE：

反応性イオンエッチング

SEM：

走査型電子顕微鏡