All-Si-Fotodetektoren mit Resonanzraum für die polarimetrische Nahinfrarot-Detektion

Hintergrund

Mit den schnellen Fortschritten in der optischen Kommunikation besteht ein wachsender Bedarf an der kostengünstigen Entwicklung polarimetrischer Photodetektoren (PDs) im nahen Infrarot (NIR). Obwohl III-V-Verbindungen wie GaAs/InGaAs und II-VI-Verbindungen wie TeCdHg in den letzten Jahrzehnten aufgrund ihrer relativ großen Absorptionskoeffizienten [1,2,3,4,5] die erfolgreichste Option für PDs waren [1,2,3,4,5], Komplexität im Wachstum und hohe Herstellungskosten sind immer das größte Problem für allgemeine Anwendungen. Insbesondere ist es noch ein weiter Weg, bis die polarimetrische Detektion durch die PDs in III-Vs und II-VIs realisiert wird. Als wichtigstes Material der Halbleiterindustrie hat sich Silizium in den letzten Jahren aufgrund seiner ausgeprägten optischen und elektrischen Eigenschaften [6,7,8], des etablierten Verfahrens und der hohen Kompatibilität mit der entwickelten CMOS-Technologie [9] als optoelektronische Bauelemente herausgebildet [9] . Darüber hinaus bieten die jüngsten Errungenschaften in der Siliziumphotonik [10, 11] einen vielversprechenden Weg zur Realisierung der neuartigen Form von PDs durch die Integration von Si-Nanodraht-Detektoren [12, 13] mit photonischen Strukturen für neue Anwendungen wie die polarimetrische Detektion.

Basierend auf unseren früheren Erfolgen bei der Entwicklung von PDs auf Basis von Si-Nanodrähten (Si NW) [12] schlägt dieses Papier außerdem eine neue Form von All-Si-Photodetektoren vor, indem ein metallisches Subwellenlängengitter mit Silizium-Nanodrähten integriert wird, um eine polarimetrische Detektion im nahen Infrarot (NIR .) zu erreichen ) Wellenlängen. Um diese Aufgabe zu erfüllen, müssen die folgenden drei Probleme gelöst werden. Erstens arbeiten konventionelle PDs auf Si-Nanodraht-Basis im sichtbaren Wellenlängenbereich (0,4–0,7 µm). Zweitens muss für die polarimetrische Detektion ein miniaturisierter optischer Polarisator in den Detektor eingebaut werden. Drittens ist aufgrund des niedrigen Absorptionskoeffizienten von Si im NIR eine Lichtsammelstruktur erwünscht, um die Ansprechempfindlichkeit zu verbessern. Um all diese Anforderungen zu erfüllen, wurde in dieser Arbeit eine neuartige Bauelementstruktur in Silizium entwickelt, die aus einem metallischen Subwellenlängengitter als Polarisator, einem Silizium-Nanodraht-Array mit einer bestimmten Höhe für die Lichternte und schließlich einem Oberflächenplasmonischen Resonator zur Wellenlängenselektion und für die Emission und Diffusion heißer Elektronen [15,16,17,18,19,20] über die Schottky-Barriere in der Au/Silizium-Grenzfläche, um unter Beleuchtung einen zusätzlichen Photostrom zu erzeugen. Diese auf Resonanzkavitäten basierende Strategie erweitert nicht nur die Bandkante von Si in den IR-Bereich, sondern erweitert auch die Bandbreite der Photoantwort mit polarisationsempfindlicher Detektion. Dieses Papier berichtet über unsere jüngsten Fortschritte bei der Bewältigung all dieser Probleme.

Methoden/Experimental

Design der All-Si-Polarisationsdetektoren

Abbildung 1a ist das schematische Diagramm des Geräts. Si-Nanodraht-Arrays mit einem Pitch von 400 nm und den Höhen (H ) von 100 nm bis 300 nm wurden auf einem leicht n-dotierten Siliziumsubstrat (500 μm dick, 1–10 Ω cm) durch ein konventionelles Trockenätzverfahren hergestellt. In der Metallgitter-Halbleiter-(MS)-Grenzfläche wurde eine Schottky-Barriere aufgebaut. Abbildung 1b zeigt einen plasmonischen Oberflächenresonator zwischen der oberen und der unteren Metallschicht, der das Si NW umgibt.

Schematische Darstellung des resonatorabgestimmten MS-Photodetektors in Silizium und seines photoelektronischen Prinzips. a , b Das Diagramm des Detektors. c , d Das Energieband für einfachen MS-Übergang unter IR-Beleuchtung mit und ohne DC-Bias. e Das Diagramm zeigt die interne Emission heißer Elektronen von Oberflächenplasmonen

Abbildung 1c und d sind die Diagramme für die Bandverbiegung in Si nahe der MS-Grenzfläche unter Beleuchtung ohne bzw. mit DC-Vorspannung. Die Optoelektronen wurden nur erzeugt, wenn die Energie der Photonen hν . erfüllt> E _g , wobei h ist die Planck-Konstante und E _g ist die Si-Bandlücke, die der Detektion im sichtbaren Wellenlängenbereich entspricht. Wie in Abb. 1e gezeigt, können jedoch heiße Elektronen, die durch den internen Photoemissionseffekt (IPE) [10, 11, 15] von Oberflächenplasmonen in der Metallschicht erzeugt werden, zum Si-Substrat diffundieren und als zusätzliches Photo über die Schottky-Barriere fließen -current, ermöglicht die Erkennung im NIR. Darüber hinaus fungiert in diesem Szenario das Subwellenlängen-Au-Gitter auf der Nanodrahtoberseite als Polarisator sowie als Resonator, der die Detektionswellenlängen abstimmt, die durch die Abmessungen der Struktur bestimmt werden.

FDTD-Simulationen

Um die Gerätestruktur für die polarimetrische Detektion mit hoher Quanteneffizienz in NIR-Wellenlängen zu optimieren, wurde systematisch eine 3D-Simulationsstudie mit finiten Differenzen im Zeitbereich (FDTD) mit dem Softwarepaket Lumerical durchgeführt. In der Simulation ist die periodische Randbedingung entlang x und y und perfekt aufeinander abgestimmte Schichten entlang der z Richtung übernommen wurden. Eine ebene Welle mit dem TM-Modus parallel zum x -Achse, die als optische Stimulationsquelle fungiert, und breitet sich entlang der z-Richtung aus. Die Dicke, die Breite und der Abstand des Au-Gitters werden auf 85 nm, 200 nm bzw. 400 nm eingestellt. Ein Reflexionsmonitor wurde oben im Simulationsbereich platziert und ein Transmissionsmonitor wurde unten auf dem Si-Substrat platziert. Die optischen Absorptionsspektren des Geräts wurden aus der gemessenen Reflexion (R ) und Übertragung (T ), mit A = 1-R -T .

Geräteherstellung

Die Nanofabrikation für den Metall/Halbleiter-Photodetektor wie entworfen wurde unter Verwendung eines auf Elektronenstrahllithographie basierenden Prozesses durchgeführt. Auf dem n-Typ Silizium (1–10 Ω cm, < 100> Orientierung) wurde zunächst ein 300 nm dickes PMMA von Micro-Chem Ltd. aufgeschleudert, gefolgt von einem Soft-Bake auf einer heißen Platte für 12 min bei 180°C. Nach der E-Beam-Belichtung durch den Beam Writer von JEOL 6300FS wurde der belichtete Resist in einer MIBK/IPA (1:3)-Lösung bei 23°C für 60 s entwickelt, gefolgt von einem gründlichen Spülen in IPA-Lösung für 15 s. Eine Nassätzung in 2%-gepufferter HF wurde angewendet, um das native Oxid auf Silizium zu entfernen. Die Proben wurden sofort in einen thermischen Verdampfer zur Abscheidung von 2-nm Cr/70-nm Au überführt. Der 2-nm-Cr ist entscheidend für die Bestimmung der Höhe der Schottky-Barriere und die Haftung der Au-Gitter am Silizium. Das unerwünschte Material wurde dann durch Abheben in Aceton bei 60ºC entfernt. Die Probe wurde schließlich in reichlich Isopropanol gespült und mit komprimiertem N₂ . getrocknet . Zu diesem Zeitpunkt wurde ein großes Bondpad mit einem quadratischen Fenster gebildet. Dann wurde die obere Elektrode, die als Subwellenlängengitter aus Cr/Au erschien, in das quadratische Fenster gelegt und mit der Kontaktstelle unter Verwendung einer Ausrichtungstechnik durch den gleichen Vorgang wie oben beschrieben verbunden. Unter Verwendung der strukturierten Metallstruktur als Ätzmaske wurde eine reaktive Ionenätzung (RIE) in einem fluorbasierten Plasma in einem Samco-Ätzer durchgeführt, um Si-Nanodrähte zu bilden. Schließlich wurde ein 15-nm-Au-Film auf der gesamten Vorrichtung abgeschieden, um einen Resonanzhohlraum zu bilden, wie in Fig. 1b dargestellt.

Photoelektrische Charakterisierung

Die photoelektronischen Eigenschaften der hergestellten Detektoren wurden systematisch im Wellenlängenbereich von 0.7–1.1 μm unter Verwendung eines konventionellen optoelektronischen Reaktionsaufbaus charakterisiert. Die Lichtquelle wurde mit einem Leistungsmesser von OPM 35S Ltd. kalibriert.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2a–d zeigen schematisch den 2D-Querschnitt der Gerätestruktur. Um den Arbeitsmechanismus zu verstehen, vier Arten von Bauelementstrukturen, eine ebene Si-Oberfläche umgeben von einem Bondpad auf einem Si-Substrat (Str. 1 in Fig. 2a), ein Au-Gitter auf einer Si-Oberfläche (Str. 2 in Fig. 2b) , ein Au-Gitter gefolgt von 210 nm-H Si NW (Str.3 in Fig. 2c) und ein mit Resonator abgestimmtes Gerät (Str.4 in Fig. 2d) wurden verglichen. Die simulierten Spektren für Transmission, Reflexion und Absorption sind jeweils in Abb. 2e–g dargestellt. Die elektrischen Feldverteilungen im Gerät mit einer Si-NW-Höhe von 210 nm wurden für das Licht bei einer Wellenlänge von 860 nm berechnet. Abbildung 2h (i–iii) zeigt die Ergebnisse für die Geräte Str.2, Str.3 bzw. Str.4.

Die Diagramme für die vier in dieser Arbeit untersuchten Geräte und die FDTD-Simulationsergebnisse der Geräte. a Str.1:das planare Si-Substrat. (b ) Str. 2:das Au-Gitter auf der Oberseite des Si-Substrats. (c ) Str. 3:das Au-Gitter auf der Oberseite des Si-NW-Arrays. (d ) Str.4:der komplett gefertigte Detektor mit dem Au-Gitter auf der Ober- und Unterseite des Si-NW-Arrays. e –g Die Simulationsergebnisse für die Transmissions-, Reflexions- bzw. Absorptionsspektren durch die vier Strukturen. h Die Simulationsergebnisse für die elektrischen Feldverteilungen in den drei Strukturen wie in b . dargestellt , c , und d , und die Wellenlänge des einfallenden Lichts beträgt 860 nm

Die in Abb. 2e und g dargestellten Simulationsergebnisse zeigen ein äußerst interessantes Bild für den Lichttransmissions-/Absorptionsprozess im vorgeschlagenen Photodetektor in der Wellenlänge von 0.7–1,1 µm. Während dieses Gerät mit TM-polarisiertem Licht (E-Feld senkrecht zur NW-Richtung) beleuchtet wurde, liegt die Transmission durch das planare Silizium für das Str.1 (Abb. 2a) meist über 50%, entsprechend einer geringen Absorption durch Si as erwartet. Das Hinzufügen eines Au-Gitters auf der ebenen Siliziumoberfläche, wie in der Struktur Str.2 (Abb. 2b) gezeigt, führt nur zu einer Reduzierung der Transmission um 10–20 %. Für die Photodetektorstruktur (Str.4) wie in Abb. 2d dargestellt, sind die Transmissionen in 0.7–0.8 μm deutlich erhöht, sogar über die durch das planare Silizium hinaus (der Grund muss noch untersucht werden). Auffälliger ist jedoch, dass die Transmission und Reflexion (Abb. 2f) in den Wellenlängen von 0,825–0,875 μm für 210 nm-H . erheblich reduziert ist , und die Absorption boomt deutlich über denen der anderen Strukturen. Das physikalische Bild hinter einer solchen Zunahme der Absorption kann durch die Resonanzmoden in der Fabry-Perot-Kavität interpretiert werden, die von den beiden Metallen oben und unten neben den Si-Nanodrähten gebildet wird. Das hohe elektrische Feld zwischen der oberen und der unteren Au-Schicht, wie in Abb. 2h (iii) durch die FDTD-Simulation bei 860 nm der Wellenlänge dargestellt, steht für die Resonanzmoden von Oberflächenplasmonen. Es wird angenommen, dass die Absorption der Resonanzenergie umgewandelt wurde, um heiße Elektronen in den Metallschichten durch Plasmonenzerfall mit hoher Effizienz zu erzeugen. Solch eine bemerkenswerte Absorptionscharakteristik bildet eine solide Grundlage für die neuartige Photoelektronendetektion im NIR durch den entwickelten Au/Si-Schottky-Barriere-Detektor. Insbesondere zeigt Fig. 2g auch, dass ein mit einem Resonator abgestimmter Photodetektor eine Absorption mit voller Halbwertsbreite (FWHM) von bis zu 300  nm aufweist

Darüber hinaus ist das Metallgitter im Subwellenlängenbereich auf der Oberseite der Si-Nanodrähte für die Polarisationserkennung auch ein Polarisator, der das einfallende Licht in TM-polarisiertes Licht umwandelt. Die Polarisationseigenschaften wurden auch durch Berechnen des Absorptionsspektrums für die entworfene Resonatorstruktur in Fig. 2d untersucht. Abbildung 3a zeigt die winkelabhängigen Absorptionsspektren in 0.7–1.1 μm, wenn die Nanodrahthöhe (H ) war 210 nm, wobei 0° der Polarisation parallel zu y . entspricht -Achse. Das 3D-Diagramm der Wellenlängen-Polarisationswinkel-Absorption in Fig. 3a zeigt die maximale Absorption, die bei der Wellenlänge von 860  nm stattfindet, was mit der Peakposition in Fig. 2g übereinstimmt. Aus der streng periodischen Variation der Absorption mit dem Polarisationswinkel in Abb. 3b ergibt sich das Extensionsverhältnis (Peak/Tal) ​​von ~ 17:1. Um dieses Verhältnis weiter zu verbessern, muss das Gitterprofil optimiert werden.

Die theoretischen Ergebnisse zu den Polarisationseigenschaften des Photodetektors mit dem Oberflächenplasmonischen Resonator. a Die Polarisationsabhängigkeit optischer Absorptionsspektren bei verschiedenen Polarisationswinkeln. Der Polarisationswinkel 0° wurde entlang der Richtung des Au-Gitters definiert. b Polarisationsabhängige Absorptionsintensität bei einfallenden Wellenlängen von 860 nm

Abbildung 4 zeigt die hergestellten vier Arten von Strukturen:das Bondpad auf einem ebenen Si-Substrat mit einem quadratischen Fenster (Abb. 4a), das Au-Gitter-planares Si, das im quadratischen Fenster registriert ist (Abb. 4b), das Au-Gitter-Si NW-Gerät (Fig. 4c) bzw. das letzte mit Resonator abgestimmte Gerät (Fig. 4d). Die Gesamtabmessungen des Gerätelayouts in der Draufsicht betragen 200 μm × 100 μm, und das quadratische Fenster misst 80 μm × 80 μm. Entsprechend dem Design betragen die Au-Gitter-Linien und -Abstände 200 nm bzw. 400 nm. Das Tempern der Geräte in Stickstoffgas bei 350 °C für 10 min wurde durchgeführt, um die Oberflächendefekte auf den Nanodrähten zu reduzieren [21, 22].

Mikroskopische Aufnahmen durch Rasterelektronenmikroskop (REM) für die hergestellten MS-Photoelektronendetektoren. a Str.1:die Übersicht des Gerätes nur mit dem Bondpad. b Str.2:das Au-Gitter-planares Si befindet sich innerhalb des quadratischen Fensters. c Str.3:die Querschnittsansicht einer Au-Gitter-Si-NW-Vorrichtung. d Str.4:die Querschnittsansicht des fertig hergestellten Geräts mit Resonanzhohlräumen

Abbildung 5a zeigt die Strom-Spannung (I -V ) Kurven von den vier verschiedenen Geräten bei einer Beleuchtung von 16,6 mW/cm ² bei einer Wellenlänge von 860 nm. Unter der negativen DC-Vorspannung von der oberen Elektrode zum Siliziumsubstrat, oberflächenplasmonischer Resonator-basierter Photodetektor (Str.4) mit 210 nm-H zeigt eine Erhöhung des Stroms um eine Größenordnung, die den höchsten Photostrom unter den vier Geräten darstellt, obwohl die Stromflüsse in der positiven Vorspannung miteinander übereinstimmen. Im Vergleich zum Au-Gitter-Si-NW-Gerät (Str. 3) realisiert das resonator-abgestimmte Gerät (Str.4) einen größeren Strom unter Beleuchtung, was die Existenz eines zusätzlichen Photostroms zeigt, der durch die zusätzliche Metallfilmarchitektur verursacht wird (Abb . 1e).

Die Messergebnisse des hergestellten Ganzsilizium-Detektors. a Leicht logarithmisch I -V Kurven unter der Beleuchtungsstärke von 16,6 mW/cm ² . b Dunkellogarithmisch I -V Kurven. c Empfindlichkeitsspektren unter der Vorspannung von − 2 V und der Lichtintensität von 16,6 mW/cm ² . d Vorspannungsabhängigkeit der Empfindlichkeit für eine Wellenlänge von 860 nm unter einer Intensität von 16,6 mW/cm ²

Das Ich -V Eigenschaften im Dunkeln werden mit dem thermionischen Emissionsmodell weiter analysiert [10, 23]. Der thermionische Emissionsstrom ist gegeben durch:\( I={AA}^{\ast }{T}^2\exp \left(-\frac{q{\Phi}_B}{kT}\right)\left[ \exp \left(\frac{qV}{nkT}\right)-1\right] \), wobei A ist die Fläche der Kontaktstelle, A * ist die Richardson-Konstante (≈ 112 A cm ⁻² K ⁻² für Si vom n-Typ), T ist die Temperatur, Φ_B ist die Höhe der Schottky-Barriere, k ist die Boltzmann-Konstante, q ist die elektronische Ladung, n ist der Idealitätsfaktor und V ist der Spannungsabfall an einer Verbindungsstelle. Das Φ_B und n kann durch lineare Anpassung von lg I . extrahiert werden -V im linearen Vorwärtsvorspannungsbereich, wie in Fig. 5b gezeigt. Das q Φ_B und n für Resonator-gestimmte Geräte (Str. 4) sind 0,57 ± 0,016 eV und 1,43 ± 0,028 mit einem angepassten R ² von 0,99644 bzw. Der Idealitätsfaktor ist auf 1 geschlossen, was darauf hinweist, dass die thermionische Emission der Hauptstrommechanismus ist. Das Sperrverhalten (− 2, 0) ist im Einschub von Abb. 5b dargestellt, der den niedrigsten Dunkelstrom (~ 27 nA) zeigt, der in Str.4 erreicht wird. Zwei Faktoren können helfen, den Dunkelstrom zu reduzieren:Einer ist die Erhöhung des Nanodrahtwiderstands und der andere ist die Abnahme der Leitfähigkeit aufgrund einer dünnen Grenzflächenverarmungsschicht zwischen der 15 nm dicken Au-Schicht und Silizium.

Es ist bekannt, dass die Ansprechempfindlichkeit (R _λ ) ist ein kritischer Parameter für optische Geräte, der als R . definiert werden kann _λ = Ich _ph /PS , wo ich _ph ist der Photostrom (I _Licht -ich _Dunkel ), P ist die Beleuchtungsstärke, S ist der gesamte photoelektronische Erfassungsbereich, der die tatsächliche Fläche des gesamten Layouts ist, gemessen von oben [12]. Wie in Fig. 5c dargestellt, zeigt das Empfindlichkeitsspektrum des Photodetektors auf Resonanzkavitätenbasis (Str. 4) das Maximum von 0,386 A W ⁻¹ bei einer Wellenlänge von 860 nm und einer FWHM von 150  nm bei einer Vorspannung von − 2 V. Eine solche Spitzenempfindlichkeit stimmt mit der maximalen Absorption überein, die durch das FDTD-Verfahren simuliert wird, wie in Abb. 2g gezeigt. Diese Ergebnisse zeigen erneut die Existenz plasmonischer heißer Elektronen in der Metallschicht. Die anderen drei Geräte führen jedoch zu Ansprechempfindlichkeiten von 0,007 A W ⁻¹ , 0.09 A W ⁻¹ , und 0,121 A W ⁻¹ , bzw. Noch wichtiger ist, dass bei den betroffenen Wellenlängen von 0,7 bis 1,1 µm kein Peak beobachtet wird. Betrachtet man außerdem eine Fowler-Reaktion [20], die durch das Plasmonen-Absorptionsspektrum S . modifiziert wird? (v ):R (v ) = η _ich ⋅ S (v ), und \( {\eta}_i\approx {\mathrm{C}}_F\frac{{\left( hv-q{\phi}_B\right)}^2}{hv} \), die beschreibt die Anzahl der „verfügbaren“ Elektronen in der Struktur mit ausreichender Energie, um die Potentialbarriere zu überwinden [24,25,26,27]. Darauf aufbauend, passend zu den experimentellen Verantwortlichkeiten von Str. 4 wie in Abb. 5c durch eine Lorentzsche Linienform für S(v ), eine Schottky-Barrierehöhe von 0,578 ± 0,0127 eV mit einem angepassten R ² von 0,94611 wurde erhalten, was den oben erwähnten 0,57 eV ähnlich ist und anzeigt, dass der Hauptnachweismechanismus IPE ist. Als zusätzlichen Vorteil bietet dieser Resonator-basierte Photodetektor eine signifikante Photostrom-Abstimmung durch das Anlegen einer negativen Vorspannung an die Vorrichtung, was eine gute Kontrolle des Ansprechverhaltens bietet, wie in Fig. 5d gezeigt. Es zeigt auch eine beachtliche Ansprechempfindlichkeit von 0,146 A/W bei 0 V Vorspannung.

Die Charakterisierung der Optoelektronen-Reaktionseigenschaft für das hergestellte Gerät zeigt, dass der entworfene Photodetektor in der Lage ist, im NIR-Bereich zu arbeiten. Der experimentelle Vergleich der Photoelektronenempfindlichkeit zwischen den Geräten mit und ohne Resonator liefert uns einen starken Beweis für die resonante Absorption des Lichts im NIR, die zur internen Photonenemission (IPE) in den Au-Gitter/Si-Schottky-Grenzflächen führt . Wenn die erzeugten heißen Ladungsträger genügend Energie gewinnen, um die Schottky-Barriere zu überwinden, wird zusätzlicher Photostrom vom Siliziumsubstrat gesammelt. Die gemessene Ansprechempfindlichkeit liegt jedoch noch unter dem Durchschnittswert im Vergleich zu herkömmlichen Detektoren. Eine weitere Verbesserung sollte erreicht werden, indem die Dicke der oberen Au-Schicht auf 30 nm reduziert wird, damit die meisten der erzeugten heißen Elektronen in das Silizium diffundieren können, wenn man bedenkt, dass ihre Diffusionslänge ~ 35 nm beträgt [16].

Abbildung 6a zeigt das gemessene I -V Kurven des hergestellten Photodetektors mit den Resonatoren (Str.4) wie in Fig. 2d dargestellt unter verschiedenen Beleuchtungsintensitäten bei der Wellenlänge von 860 nm. Abbildung 6b zeigt den Photostrom (I _ph ) und Reaktionsfähigkeit (R _λ ) als Funktion der Lichtintensität unter − 2 V. Innerhalb des einfallenden Lichtintensitätsbereichs von 5,2 bis 16,6 mW/cm ² , zeigt der Fotodetektor eine lineare Reaktion mit Fotostrom von 6,05 × 10 ^–8 bis 1,28 × 10 ⁻⁶ A, entsprechend einer Ansprechempfindlichkeit von 0,058 bis 0,386 A W ⁻¹ . In Abb. 6b sind die ausgefüllten Quadrate die experimentellen Daten und die durchgezogene Linie ist eine Anpassung an das einfache Potenzgesetz, I _ph = AP ^θ , wobei A ist eine Konstante, P ist die Lichtintensität und θ von 1 ist ein Exponent, was bestätigt, dass der Photostrom hauptsächlich durch die Menge der photogenerierten Ladungsträger bestimmt wird [28,29,30,31]. Die Photoelektronendetektion wird erneut durch den Photostrom demonstriert, der durch das einfallende Licht in Rechteckwellenform modifiziert wird, wie in Fig. 6c gezeigt, die eine klare Abhängigkeit der Lichtintensität zeigt.

Die Photoelektroneneigenschaften des hergestellten Detektors mit dem plasmonischen Resonator. a Logarithmisches I -V Kurven des Detektors gemessen im Dunkeln und bei unterschiedlichen Beleuchtungsstärken. b Die Kurven der Empfindlichkeit ändern sich mit der Beleuchtungsintensität unter der Vorspannung von − 2 V. c I-t-Ansprechverhalten der Photodetektoren bei unterschiedlichen Beleuchtungsintensitäten bei − 2 V Vorspannung

Die Polarisationsempfindlichkeit des hergestellten Au-Gitter-Planar-Si (Abb. 4b), Au-Gitter-Si NW (Abb. 4c) und der Resonanzhohlraum-abgestimmten Vorrichtung (Abb. 4d) wurde auch unter Verwendung des polarisierten Lichts von 16,6  mW/ cm ² unter − 2 V Vorspannung, wie in Abb. 7 dargestellt. Die Photostrom-Peak-to-Tal-Verhältnisse dieser drei Bauelemente betragen 5,6, 6,4 bzw. 8,3. Es zeigt die stärkere polarisationsabhängige Detektion durch den All-Si-Photodetektor mit Resonanzhohlraum als die mit Au-Gitter-Si-NW-Struktur. Darüber hinaus ist die schnelle Reaktion des durch den Polarisationswinkel abgestimmten Photostroms in Fig. 7b dargestellt, was die polarimetrische Detektion durch die hergestellte 3D-Resonatorarchitektur demonstriert.

Experimentelle Demonstration der polarimetrischen Detektion durch den hergestellten All-Si-Photodetektor. a Polarisationsabhängigkeit des Photoelektronenstroms. b Photostromantwort des mit Resonator abgestimmten MS-Detektors unter 16,6 mW/cm ² einfallendes Licht mit unterschiedlichen Polarisationswinkeln, gemessen bei einer DC-Vorspannung von − 2 V. Der Polarisationswinkel wurde mit einem schwarzen Pfeil auf dem entsprechenden Photostrom markiert

Schlussfolgerungen

Durch die Kombination eines Sub-Wellenlängen-Gitters aus Au auf Silizium als Ätzmaske und Polarisator, Si-Nanodrähten als Detektormaterial und einem plasmonischen Resonator, der aus einer Doppelschicht von Au-Gittern gebildet wird, wurde in dieser Arbeit erfolgreich ein neuartiger Photodetektor auf Basis von reinem Si Nanodraht-Array mit polarimetrischer Detektion in NIR-Wellenlängen. Es wurde gezeigt, dass die Ansprechempfindlichkeit dieses Geräts bis zu 0,386 A W ⁻¹ . hoch war bei einer DC-Vorspannung von − 2 V, die jeweils vergleichbar und größer ist als die Werte, die für einen reinen Si-IR-Detektor erwartet werden. Darüber hinaus wurde auch eine Polarisationsdetektion erreicht und das Peak-to-Tal-Verhältnis von 8,3 für den Photostrom unter dem einfallenden polarisierten Licht bei einer Wellenlänge von 860  nm beobachtet. Die FDTD-Simulation der Geräteleistung legt nahe, dass die Detektionswellenlänge im NIR-Bereich abgestimmt werden kann, der durch die Gerätestruktur bestimmt wird. Die Optimierung sowohl der strukturellen Abmessungen als auch der Nanobearbeitungsbedingungen wird das Dehnungsverhältnis sicherlich erheblich verbessern. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse sind aufschlussreich für die Weiterentwicklung von All-Si-Nanodraht-basierten Polarisationsdetektoren in Richtung praktischer Anwendungen.

Abkürzungen

3D:

Dreidimensional

DC:

Gleichstrom

EBL:

Elektronenstrahllithographie

FDTD:

Zeitbereich mit endlicher Differenz

FWHM:

Volle Breite auf halbem Maximum

IPE:

Interner Photoemissionseffekt

I -V :

Strom-Spannung

MS:

Metall-Halbleiter

NIR:

Nahinfrarot

NW:

Nanodraht

PDs:

Fotodetektoren

RIE:

Reaktives Ionenätzen

SEM:

Rasterelektronenmikroskop