科研进展简报

集成超薄金属/硅化物的波导型肖特基探测器的光吸收增强方法

来源:武汉光电国家实验室(筹)    作者:光电子器件与集成功能实验室    发布时间:2017年05月10日

        肖特基探测器基于内部光发射效应,通过金属或硅化物吸收光产生热载流子,热载流子有几率越过肖特基势垒并在半导体中被收集以产生光电流,可以应用于通信和成像,而且还可用于实现全硅长波长通信波段的光探测。波导型肖特基探测器有充分吸收光能量的优势,然而存在性能瓶颈:1.器件内量子效率通常较低,因此响应度很低;2.在用于吸收的等离子波导中传播的等离子模式需要强吸收能力,以减小器件尺寸,实现室温下的暗电流抑制,但是这意味着该等离子模式的光场被强限制在小尺寸的吸收区,由于模场失配,很难实现空间光源或者介质波导中的模式与该类等离子模式的高效耦合,因此器件光吸收率会下降。

        武汉光电国家实验室(筹)光电子器件与集成功能实验室博士生郭敬书、吴志维在赵彦立老师的指导下,提出集成超薄金属/硅化物的波导型肖特基探测器的光吸收增强方法。采用超薄(厚度不大于10 nm)金属/硅化物的肖特基探测器可以通过热载流子在吸收区的界面反射提高内量子效率。我们提出的等离子体波导由硅纳米线波导覆盖超薄金属/硅化物条构成,如图1所示。金属和硅化物的制作工艺区别导致波导截面略有差别。本结构中的硅化物可分为类金属和非类金属两类。当采用金属/类金属硅化物时,我们发现了等离子波导中的准TE模和等离子模式aab0模式间的模式杂化(mode hybridization)。aab0-准TE混合模(aab0-quasi-TE hybrid modes)可以从TE模高效耦合,而且可以高效吸收光能量。在厚度为5 nm,面积为0.14 μm2的Au吸收区中实现了95.6%的光吸收率(对应响应度0.146 A/W),而且没有采用光谐振结构。较小的接触面积得到低室温暗电流8.03 nA和高3dB带宽88 GHz。当采用非类金属硅化物时,波导中没有sabm和aabm等等离子模式,也没有以上提到的模式杂化现象,器件需要使用准TM模作为工作模式。使用2 nm厚的PtSi器件可以得到高响应度0.71A/W,然而准TM模的低光吸收能力导致器件长度高达77.7 μm,接触面积高达3.9 μm2,较低的肖特基势垒和大接触面积导致室温暗电流高达35.9 μA。此种情况下相对窄和厚的硅化物吸收区有利于减小器件暗电流。以上研究有助于推动波导型肖特基探测器的发展,该器件的发展有助于推动集成硅光回路中的近红外光探测研究。

        2017年5月1日,该研究工作“Enhanced light absorption in waveguide Schottky photodetector integrated with ultrathin metal/silicide stripe”(集成超薄金属/硅化物的波导型肖特基探测器的光吸收增强)发表在Optics Express (Vol. 25,No. 9,pp. 10057-10069, 2017)上。

        该研究得到了国家重大科技成果转化项目、武汉光电国家实验室主任基金以及华为创新研究计划等项目的资助。

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(a) 等离子波导结构; (b) 集成金属的结构截面; (c) 集成硅化物的结构截面。