Photodétecteurs à base de silicium avec cavités résonantes pour la détection polarimétrique proche infrarouge

Résumé

Cette étude présente un photodétecteur à base de silicium qui couple un réseau d'or sous-longueur d'onde avec une cavité résonante pour réaliser une détection polarimétrique dans le proche infrarouge (PIR). L'interface Schottky or-silicium récupère les électrons chauds générés par les résonances plasmoniques de surface, étendant la gamme de détection du silicium au-delà de sa bande interdite. Des simulations par différences finies dans le domaine temporel (FDTD) ont guidé la conception du dispositif, tandis que la lithographie par faisceau d'électrons a permis une nanofabrication précise. Les résultats expérimentaux montrent un pic de responsivité de 0,386 A W⁻¹ à 860 nm sous un biais de −2 V et un rapport pic-val de polarisation de 8,3, démontrant le potentiel de la photonique tout-silicium pour la détection PIR à faible coût et haute performance.

Contexte

L'évolution rapide des communications optiques exige des photodétecteurs polarimétriques (PD) peu coûteux fonctionnant dans le PIR. Les composés traditionnels III-V et II-VI, tels que GaAs/InGaAs et TeCdHg, offrent des coefficients d'absorption élevés mais souffrent de processus de croissance coûteux et d'une compatibilité CMOS limitée. Le silicium, la colonne vertébrale de l'industrie des semi-conducteurs, est apparu comme une plateforme viable pour l'optoélectronique grâce à son traitement mature, sa compatibilité CMOS et les avancées récentes en photonique silicium. En intégrant des détecteurs à nanofils de silicium avec des structures photoniques, les chercheurs ont commencé à explorer de nouvelles fonctionnalités, y compris la détection polarimétrique.

S'appuyant sur des travaux antérieurs avec des PDs à nanofils de silicium, cet article présente un détecteur tout-silicium qui intègre un réseau métallique sous-longueur d'onde pour servir simultanément de polariseur et de cavité résonante. Trois défis guident la conception : (1) étendre la sensibilité des nanofils de silicium dans le PIR, (2) intégrer un polariseur compact, et (3) améliorer la responsivité par des structures de collecte de lumière. L'architecture proposée combine un réseau d'or sous-longueur d'onde, un réseau de nanofils de silicium de hauteur contrôlée, et un résonateur plasmonique qui facilite la génération d'électrons chauds et l'émission photoélectrique interne (IPE) à l'interface Schottky, permettant ainsi une détection PIR large bande, sensible à la polarisation.

Méthodes/Expérimental

Conception des détecteurs de polarisation tout-Si

La Figure 1a illustre la géométrie du dispositif. Des réseaux de nanofils de silicium ont été fabriqués sur du silicium de type n légèrement dopé (500 µm d'épaisseur, 1–10 Ω cm) avec un pas de 400 nm et des hauteurs (H) allant de 100 nm à 300 nm, en utilisant un processus de gravure sèche standard. Une barrière Schottky se forme à l'interface or-silicium. La Figure 1b montre le résonateur plasmonique de surface, consistant en des couches d'or au-dessus et au-dessous du réseau de nanofils.

Diagramme schématique du photodétecteur métal-semiconducteur accordé par résonateur en silicium et son principe photoélectronique. a, b La disposition du dispositif. c, d Diagrammes de bandes d'énergie pour la jonction Schottky sous illumination avec et sans biais DC. e Émission photoélectrique interne d'électrons chauds générés par les plasmons de surface.

Les Figures 1c et 1d dépeignent la courbure de bande à l'interface Si-Au sous différentes conditions de biais. Les énergies de photons excédant la bande interdite du silicium (hν > E_g) génèrent normalement des paires électron-trou, qui sont absorbées seulement dans le visible. Cependant, les électrons chauds produits par l'effet d'émission photoélectrique interne (IPE) dans la couche d'or peuvent traverser la barrière Schottky, permettant la détection PIR. Le réseau d'or sous-longueur d'onde sur le dessus du nanofil fonctionne aussi comme un polariseur, accordant la longueur d'onde de résonance via ses paramètres géométriques.

Simulations FDTD

Pour optimiser la structure pour une détection polarimétrique PIR à haut rendement, nous avons effectué des simulations FDTD 3D en utilisant Lumerical. Des conditions aux limites périodiques étaient appliquées dans les directions x et y, avec des couches parfaitement adaptées le long de z. Une onde plane polarisée TM se propageant le long de z servait de source d'excitation. Le réseau d'or était réglé à une épaisseur de 85 nm, une largeur de 200 nm et un pas de 400 nm. Des moniteurs de réflexion et transmission au sommet et au bas du substrat de silicium donnaient les spectres d'absorption via A = 1 − R − T.

Fabrication du dispositif

Le dispositif a été fabriqué en utilisant la lithographie par faisceau d'électrons. Une couche de PMMA de 300 nm était essorée et cuite à 180 °C pendant 12 min. Après exposition JEOL 6300FS, le résist était développé dans MIBK/IPA (1:3) à 23 °C pendant 60 s. L'oxyde natif était enlevé avec 2 % de HF tamponné, suivi par l'évaporation thermique de 2 nm Cr/70 nm Au. Le lift-off dans l'acétone à 60 °C complétait le patronnage. Le réseau d'or était ensuite gravé dans le silicium par gravure ionique réactive (RIE) dans un plasma à base de fluor, formant le réseau de nanofils. Finalement, un film d'Au de 15 nm était déposé sur l'ensemble du dispositif pour créer la cavité résonante.

Caractérisation photoélectrique

Les mesures électriques étaient effectuées dans la gamme de longueurs d'onde 0,7–1,1 µm en utilisant une source lumineuse calibrée (OPM 35S). Les caractéristiques courant-tension (I-V) étaient enregistrées sous illumination et dans le noir.

Résultats et Discussion

Les Figures 2a-d affichent la géométrie en coupe transversale des quatre variantes de dispositif : (1) Si planaire avec tampon de liaison, (2) réseau Au sur Si planaire, (3) réseau Au au sommet de nanofils Si, et (4) le détecteur complet à cavité résonante. Les spectres simulés de transmission, réflexion et absorption sont montrés dans les Figures 2e-g. Pour un réseau de nanofils de 210 nm de hauteur, l'absorption à 860 nm culmine avec une largeur à mi-hauteur (PMIG) de ~300 nm, attribuable aux résonances de Fabry-Pérot entre les couches d'or supérieures et inférieures. L'intensité de champ électrique élevée entre les couches métalliques, illustrée dans la Figure 2h(iii), indique une conversion efficace plasmon-électron chaud.

Diagrammes des quatre dispositifs étudiés et résultats FDTD correspondants. a Substrat Si planaire. b Réseau Au sur Si. c Réseau Au sur nanofils Si. d Détecteur complet avec couches Au supérieures et inférieures. e–g Spectres de transmission, réflexion et absorption. h Distributions de champ électrique à 860 nm pour les structures (b), (c) et (d).

L'analyse de polarisation (Figure 3a) montre une absorption maximale à 860 nm, avec une variation périodique de l'absorption versus l'angle de polarisation donnant un rapport pic-val de ~17:1. L'optimisation du profil du réseau pourrait encore améliorer ce rapport.

Propriétés de polarisation théoriques du détecteur résonant. a Spectres d'absorption versus angle de polarisation. b Absorption dépendante de la polarisation à 860 nm.

Les micrographies MEB (Figure 4) confirment la fidélité de fabrication de chaque structure, avec le détecteur résonant affichant la cavité d'or bicouche attendue et le réseau de nanofils.

Images MEB des quatre variantes de dispositif : (a) tampon de liaison seulement, (b) réseau Au sur Si planaire, (c) réseau Au sur nanofils Si, (d) détecteur résonant complet.

Les mesures électriques (Figure 5a) révèlent que le détecteur résonant (Str.4) présente un photocourant d'un ordre de grandeur plus élevé sous un biais négatif de −2 V comparé aux autres structures. Le courant noir reste faible (~27 nA) grâce à la résistance accrue des nanofils et une couche de déplétion à l'interface Au/Si de 15 nm.

Courbes I-V mesurées et responsivité du détecteur résonant. a I-V logarithmique sous 16,6 mW cm⁻². b I-V dans le noir. c Spectre de responsivité à −2 V. d Dépendance de la responsivité au biais à 860 nm.

L'analyse du I-V dans le noir en utilisant le modèle d'émission thermionique donne une hauteur de barrière Schottky Φ_B ≈ 0,57 eV et un facteur d'idéalité n ≈ 1,43, confirmant l'émission thermionique comme mécanisme de transport dominant. La responsivité culmine à 0,386 A W⁻¹ avec un PMIG de 150 nm, cohérent avec le profil d'absorption simulé. Un ajustement lorentzien du spectre de responsivité donne Φ_B ≈ 0,58 eV, validant davantage le mécanisme de détection IPE.

Sous des intensités d'illumination variables (Figure 6b), le photocourant du détecteur s'échelonne linéairement (I_ph = A P^θ, θ ≈ 1), confirmant que le photocourant est gouverné par le nombre de porteurs générés. La responsivité atteint 0,386 A W⁻¹ à −2 V et 0,146 A W⁻¹ à 0 V.

Performance du photodétecteur sous intensités lumineuses variables. a Courbes I-V logarithmiques dans le noir et sous illumination. b Responsivité versus intensité d'illumination à −2 V. c Réponse du photocourant à une illumination en onde carrée.

La sensibilité à la polarisation (Figure 7) montre des rapports pic-val de 5,6, 6,4 et 8,3 pour le réseau Au planaire, réseau Au-nanofil, et détecteur résonant, respectivement, démontrant la capacité polarimétrique améliorée de l'architecture résonante. La modulation rapide du photocourant avec l'angle de polarisation confirme davantage l'aptitude du dispositif pour la détection polarimétrique.

Démonstration de détection polarimétrique. a Photocourant versus angle de polarisation. b Réponse du photocourant résolue en temps aux changements de polarisation.

Conclusions

Nous avons démontré un photodétecteur entièrement à base de silicium qui intègre un réseau d'or sous-longueur d'onde, un réseau de nanofils de silicium et une cavité résonante bicouche d'or pour atteindre la détection polarimétrique PIR. Le dispositif délivre une responsivité maximale de 0,386 A W⁻¹ à 860 nm sous un biais de −2 V et un rapport pic-val de polarisation de 8,3, surpassant les PDs conventionnels en silicium dans le régime PIR. Les simulations FDTD confirment que la longueur d'onde de détection peut être ajustée via les paramètres structurels, offrant de la flexibilité pour les applications futures. Une optimisation supplémentaire de la géométrie du réseau et la réduction de l'épaisseur de l'or supérieur devraient améliorer la responsivité et le contraste de polarisation, ouvrant la voie à des capteurs PIR tout-silicium rentables et à haute performance.

Abréviations

3D :

Tridimensionnel

DC :

Courant continu

EBL :

Lithographie par faisceau d'électrons

FDTD :

Différences finies dans le domaine temporel

PMIG :

Pleine largeur à mi-hauteur

IPE :

Effet d'émission photoélectrique interne

I-V :

Courant-tension

MS :

Métal-semiconducteur

PIR :

Proche infrarouge

NW :

Nanofil

PD :

Photodétecteur

RIE :

Gravure ionique réactive

MEB :

Microscope électronique à balayage