Detektor Foto All-Si dengan Rongga Resonansi untuk Deteksi Polarimetri Inframerah Dekat

Hasil dan Diskusi

Gambar 2a-d menggambarkan secara skematis penampang 2D dari struktur perangkat. Untuk memahami mekanisme kerja, empat jenis struktur perangkat, permukaan planar Si yang dikelilingi oleh bantalan ikatan pada substrat Si (Str. 1 pada Gambar 2a), kisi Au pada permukaan Si (Str.2 pada Gambar 2b) , kisi Au diikuti oleh 210 nm-H Si NW (Str.3 pada Gambar 2c), dan perangkat yang disetel resonator (Str.4 pada Gambar 2d) dibandingkan. Spektrum simulasi untuk transmisi, refleksi, dan penyerapan ditunjukkan pada Gambar. 2e-g, masing-masing. Distribusi medan listrik pada alat dengan tinggi Si NW 210 nm dihitung untuk cahaya pada panjang gelombang 860 nm. Gambar 2h (i–iii) menunjukkan hasil untuk perangkat Str.2, Str.3, dan Str.4 masing-masing.

Diagram untuk empat perangkat yang diselidiki dalam pekerjaan ini dan hasil simulasi FDTD dari perangkat. a Str.1:substrat Si planar. (b ) Str. 2:kisi Au di bagian atas substrat Si. (c ) Str. 3:kisi Au di bagian atas susunan Si NW. (d ) Str.4:detektor yang dibuat sepenuhnya dengan kisi Au di bagian atas dan bawah susunan Si NW. e –g Hasil simulasi untuk spektrum transmisi, refleksi, dan serapan masing-masing melalui empat struktur. h Hasil simulasi distribusi medan listrik pada ketiga struktur seperti yang digambarkan pada b , c , dan d , masing-masing, dan panjang gelombang cahaya datang adalah 860 nm

Hasil simulasi yang disajikan pada Gambar. 2e dan g menggambarkan gambaran yang sangat menarik untuk proses transmisi/penyerapan cahaya dalam fotodetektor yang diusulkan dalam panjang gelombang 0,7–1,1 μm. Sementara perangkat ini diterangi oleh cahaya terpolarisasi TM (medan E tegak lurus terhadap arah NW), transmisi melalui silikon planar untuk Str.1 (Gbr. 2a) sebagian besar di atas 50%, sesuai dengan penyerapan rendah oleh Si sebagai mengharapkan. Penambahan kisi Au ke permukaan silikon planar, seperti yang ditunjukkan pada struktur Str.2 (Gbr. 2b), hanya mengarah pada pengurangan 10-20% dalam transmisi. Untuk struktur fotodetektor (Str.4) seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 2d, transmisi dalam 0,7-0,8 μm ditingkatkan secara signifikan, bahkan melampaui transmisi melalui silikon planar (alasannya masih perlu diselidiki). Namun, fitur yang lebih mencolok adalah bahwa transmisi dan refleksi (Gbr. 2f) dalam panjang gelombang 0,825-0,875 μm sangat berkurang untuk 210 nm-H , dan penyerapannya meningkat jauh di atas yang ada di struktur lain. Gambaran fisik di balik peningkatan penyerapan tersebut dapat ditafsirkan oleh mode resonansi di rongga Fabry-Perot yang dibentuk oleh dua logam di bagian atas dan bawah di samping kawat nano Si. Medan listrik tinggi yang ada antara lapisan Au atas dan bawah, seperti yang disajikan pada Gambar 2h (iii) dengan simulasi FDTD pada panjang gelombang 860 nm, menunjukkan mode resonansi plasmon permukaan. Diyakini bahwa penyerapan energi resonansi diubah untuk menghasilkan elektron panas di lapisan logam melalui peluruhan plasmon dengan efisiensi tinggi. Karakteristik penyerapan yang luar biasa seperti itu meletakkan dasar yang kuat untuk deteksi foto-elektron baru di NIR oleh detektor penghalang Au/Si Schottky yang dirancang. Terutama, Gambar 2g juga menunjukkan bahwa fotodetektor yang disetel resonator menunjukkan penyerapan dengan lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) hingga 300 nm.

Selanjutnya, untuk deteksi polarisasi, kisi logam sub-panjang gelombang di bagian atas kawat nano Si juga merupakan polarizer, mengubah cahaya datang menjadi terpolarisasi TM. Karakteristik polarisasi juga dipelajari dengan menghitung spektrum serapan untuk struktur resonator yang dirancang pada Gambar. 2d. Gambar 3a menyajikan spektrum serapan yang bergantung pada sudut dalam 0,7–1,1 μm ketika tinggi kawat nano (H ) adalah 210 nm, di mana 0° berhubungan dengan polarisasi paralel dengan y -sumbu. Plot 3D panjang gelombang-polarisasi sudut-penyerapan pada Gambar. 3a menunjukkan penyerapan maksimal terjadi pada panjang gelombang 860 nm, yang konsisten dengan posisi puncak pada Gambar. 2g. Variasi absorpsi periodik yang ketat dengan sudut polarisasi pada Gambar 3b menimbulkan rasio ekstensi (puncak/lembah) dari ~ 17:1. Untuk lebih meningkatkan rasio ini, profil kisi perlu dioptimalkan.

Hasil teoritis untuk sifat polarisasi fotodetektor dengan resonator plasmonik permukaan. a Ketergantungan polarisasi spektrum serapan optik pada sudut polarisasi yang berbeda. Sudut polarisasi 0° ditentukan sepanjang arah kisi Au. b Intensitas penyerapan yang bergantung pada polarisasi dengan panjang gelombang datang 860 nm

Gambar 4 menunjukkan empat jenis struktur fabrikasi:bantalan ikatan pada substrat planar Si dengan jendela persegi (Gbr. 4a), Au grating-planar Si terdaftar di jendela persegi (Gbr. 4b), Au grating-Si Perangkat NW (Gbr. 4c), dan perangkat yang disetel resonator akhir (Gbr. 4d), masing-masing. Dimensi keseluruhan tata letak perangkat dari tampilan atas adalah 200 μm × 100 μm, dan jendela persegi berukuran 80 μm × 80 μm. Sesuai dengan desain, garis dan ruang Au-grating adalah 200 nm dan 400 nm, masing-masing. Anil perangkat dalam gas nitrogen pada 350 °C selama 10  menit dilakukan, yang bertujuan untuk mengurangi cacat permukaan pada kawat nano [21, 22].

Mikrograf dengan memindai mikroskop elektron (SEM) untuk detektor foto-elektron MS yang dibuat. a Str.1:ikhtisar perangkat dengan bantalan ikatan saja. b Str.2:Au grating-planar Si terletak di dalam jendela persegi. c Str.3:tampilan penampang perangkat Au grating-Si NW. d Str.4:tampilan penampang perangkat yang akhirnya dibuat dengan rongga resonansi

Gambar 5a menggambarkan tegangan arus (I -V ) kurva yang diambil dari empat perangkat berbeda di bawah pencahayaan 16,6 mW/cm ² pada panjang gelombang 860 nm, masing-masing. Di bawah bias DC negatif dari elektroda atas ke substrat silikon, fotodetektor berbasis resonator plasmonik permukaan (Str.4) dengan 210 nm-H menunjukkan peningkatan arus dengan urutan besarnya, yang merupakan arus foto tertinggi di antara empat perangkat, meskipun aliran arus dalam bias positif bertepatan satu sama lain. Dibandingkan dengan perangkat Au grating-Si NW (Str. 3), perangkat yang disetel resonator (Str.4) menyadari arus yang lebih besar di bawah iluminasi, yang mengungkapkan adanya arus foto ekstra yang disebabkan oleh arsitektur film logam tambahan (Gbr. . 1e).

Hasil pengukuran diperoleh dari detektor all-silicon fabrikasi. a Logaritma ringan I -V kurva di bawah intensitas iluminasi 16,6 mW/cm ² . b Logaritma gelap Aku -V kurva. c Spektrum responsivitas di bawah bias 2 V dan intensitas cahaya 16.6 mW/cm ² . d Ketergantungan bias responsivitas untuk panjang gelombang 860 nm di bawah intensitas 16.6 mW/cm ²

Aku -V karakteristik dalam gelap dianalisis lebih lanjut menggunakan model emisi termionik [10, 23]. Arus emisi termionik diberikan oleh:\( I={AA}^{\ast }{T}^2\exp \left(-\frac{q{\Phi}_B}{kT}\right)\left[ \exp \left(\frac{qV}{nkT}\right)-1\right] \), di mana A adalah area persimpangan kontak, A * adalah konstanta Richardson (≈ 112 A cm ⁻² K ⁻² untuk Si tipe-n), T adalah suhu, _B adalah ketinggian penghalang Schottky, k adalah konstanta Boltzmann, q adalah muatan elektronik, n adalah faktor idealitas, dan V adalah tegangan jatuh di persimpangan. _B dan n dapat diekstraksi melalui pemasangan linier lg I -V di wilayah linier bias maju, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5b. q _B dan n untuk perangkat yang disetel resonator (Str. 4) ditemukan 0,57 ± 0.016 eV dan 1,43 ± 0.028 dengan R yang disesuaikan ² masing-masing sebesar 0,99644. Faktor idealitas mendekati 1, yang menunjukkan emisi termionik adalah mekanisme arus utama. Perilaku bias terbalik (− 2, 0) ditunjukkan pada sisipan Gambar 5b, yang menunjukkan arus gelap terendah (~ 27 nA) yang dicapai pada Str.4. Dua faktor dapat membantu mengurangi arus gelap:satu adalah peningkatan resistansi kawat nano, dan yang lainnya adalah penurunan konduktivitas, karena lapisan penipisan antarmuka yang tipis antara lapisan Au setebal 15 nm dan silikon.

Sudah diketahui bahwa responsivitas (R _λ ) adalah parameter penting untuk perangkat optik, yang dapat didefinisikan sebagai R _λ = Aku _ph /PS , di mana Aku _ph adalah arus foto (I _Ringan -Aku _Gelap ), P adalah intensitas iluminasi, S adalah area penginderaan fotoelektronik keseluruhan, yang merupakan area sebenarnya dari semua tata letak yang diukur dari tampilan atas [12]. Seperti disajikan pada Gambar 5c, spektrum responsivitas oleh fotodetektor berbasis rongga resonansi (Str. 4) menunjukkan maksimum 0,386 A W ⁻¹ sekitar panjang gelombang 860 nm dan FWHM 150 nm di bawah bias 2 V. Responsivitas puncak seperti itu sesuai dengan penyerapan maksimum yang disimulasikan oleh metode FDTD seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2g. Hasil ini sekali lagi menunjukkan adanya elektron panas plasmonik di lapisan logam. Namun, tiga perangkat lainnya menghasilkan respons sebesar 0,007 A W ⁻¹ , 0,09 A S ⁻¹ , dan 0,121 A S ⁻¹ , masing-masing. Lebih penting lagi, tidak ada puncak yang diamati di seluruh panjang gelombang dalam 0,7–1,1 μm yang bersangkutan. Selanjutnya, mempertimbangkan respon Fowler [20] yang dimodifikasi oleh spektrum penyerapan plasmon S (v ):R (v ) = η _i S (v ), dan \( {\eta}_i\approx {\mathrm{C}}_F\frac{{\left( hv-q{\phi}_B\right)}^2}{hv} \), yang menjelaskan jumlah elektron "tersedia" dalam struktur dengan energi yang cukup untuk mengatasi penghalang potensial [24,25,26,27]. Berdasarkan hal ini, menyesuaikan responsivitas eksperimental Str. 4 seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5c dengan bentuk garis Lorentzian untuk S(v ), ketinggian penghalang Schottky 0,578 ± 0,0127 eV dengan R yang disesuaikan ² dari 0,94611 diperoleh, yang mirip dengan 0,57 eV yang disebutkan di atas dan menunjukkan mekanisme deteksi utama adalah IPE. Sebagai manfaat tambahan, fotodetektor berbasis resonator ini menyediakan penyetelan arus foto yang signifikan melalui penerapan bias negatif ke perangkat, menawarkan kontrol respons yang baik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5d. Ini juga menunjukkan responsivitas yang cukup besar sebesar 0,146 A/W pada bias 0 V.

Karakterisasi properti respons optoelektron untuk perangkat yang dibuat menunjukkan bahwa fotodetektor yang dirancang dapat bekerja di wilayah NIR. Perbandingan eksperimental dari responsivitas foto-elektron antara perangkat dengan dan tanpa resonator memberi kami bukti kuat untuk penyerapan resonansi cahaya di NIR, yang mengarah ke emisi foton internal (IPE) di antarmuka Au grating/Si Schottky . Ketika pembawa panas yang dihasilkan mendapatkan energi yang cukup untuk mengatasi penghalang Schottky, arus foto ekstra dikumpulkan oleh substrat silikon. Responsivitas terukur, bagaimanapun, masih di bawah nilai rata-rata dibandingkan dengan detektor konvensional. Perbaikan lebih lanjut harus dilakukan dengan mengurangi ketebalan lapisan Au atas hingga 30 nm sehingga sebagian besar elektron panas yang dihasilkan dapat berdifusi ke dalam silikon, mengingat panjang difusinya adalah ~ 35 nm [16].

Gambar 6a menyajikan pengukuran I -V kurva dari fotodetektor fabrikasi dengan resonator (Str.4) seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 2d di bawah berbagai intensitas iluminasi pada panjang gelombang 860 nm. Gambar 6b ​​menunjukkan arus foto (I _ph ) dan responsivitas (R _λ ) sebagai fungsi dari intensitas cahaya di bawah 2 V. Dalam rentang intensitas cahaya datang dari 5,2 hingga 16,6 mW/cm ² , fotodetektor menunjukkan respons linier dengan arus foto dari 6.05 × 10 ⁻⁸ hingga 1,28 × 10 ⁻⁶ A, sesuai dengan responsivitas dari 0,058 hingga 0,386 A W ⁻¹ . Pada Gambar 6b, kotak padat adalah data eksperimen dan garis padat sesuai dengan hukum pangkat sederhana, I _ph = AP ^θ , di mana A adalah konstanta, P adalah intensitas cahaya, dan dari 1 adalah eksponen, yang menegaskan bahwa arus foto sebagian besar ditentukan oleh jumlah pembawa foto yang dihasilkan [28,29,30,31]. Deteksi foto-elektron sekali lagi ditunjukkan oleh arus foto yang dimodifikasi oleh cahaya datang dalam bentuk gelombang persegi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6c, yang menunjukkan ketergantungan intensitas cahaya yang jelas.

Sifat foto-elektron dari detektor yang dibuat dengan resonator plasmonik. a Logaritma Aku -V kurva detektor diukur dalam gelap dan di bawah intensitas iluminasi yang berbeda. b Kurva responsivitas berubah dengan intensitas iluminasi di bawah bias 2 V. c Respons fotodetektor di bawah intensitas iluminasi yang berbeda pada bias 2 V

Sensitivitas polarisasi dari Au grating-Planar Si yang dibuat (Gbr. 4b), Au grating-Si NW (Gbr. 4c), dan perangkat yang disetel rongga resonansi (Gbr. 4d) juga dikarakterisasi menggunakan cahaya terpolarisasi 16,6 mW/ cm ² di bawah bias 2 V, seperti yang disajikan pada Gambar. 7. Rasio puncak ke lembah arus foto dari ketiga perangkat ini masing-masing adalah 5,6, 6,4, dan 8,3. Ini menampilkan deteksi ketergantungan polarisasi yang lebih kuat oleh fotodetektor all-Si dengan rongga resonansi dibandingkan dengan struktur Au grating-Si NW. Selanjutnya, respons cepat arus foto yang disetel oleh sudut polarisasi disajikan pada Gambar 7b, yang menunjukkan deteksi polarimetri oleh arsitektur resonator 3D buatan.

Demonstrasi eksperimental deteksi polarimetri oleh fotodetektor all-Si yang dibuat. a Ketergantungan polarisasi dari arus foto-elektron. b Respons arus foto detektor MS yang disetel resonator di bawah 16,6 mW/cm ² cahaya datang dengan sudut polarisasi berbeda yang diukur pada bias DC 2 V. Sudut polarisasi ditandai dengan panah hitam ke arus foto yang sesuai