CN102569485A - 近红外波段全硅基纳米光电探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近红外波段全硅基纳米光电探测器。它包括基底、硅纳米线光波导、肖特基接触电极、欧姆接触电极和绝缘层。在基底上构筑硅纳米线光波导，肖特基接触电极覆盖在它的顶部和侧壁，硅纳米线光波导与肖特基接触电极之间涂覆绝缘层，在硅纳米线光波导的平板区上相距肖特基接触电极1～2μm的地方设置欧姆接触电极。入射光从硅纳米线光波导输入，在肖特基接触区域被吸收，通过内部光发射效应转化为光生载流子，被肖特基接触电极和欧姆接触电极收集形成光电流，实现光电转换。本发明克服了宽禁带硅对近红外光不吸收的物理限制，具有超大带宽、偏振不敏感等优良特性，且因吸收率高可做得非常小，工艺制备与CMOS兼容，制作简单成本低。

Description

近红外波段全硅基纳米光电探测器

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种近红外波段全硅基纳米光电探测器。

背景技术

进入21世纪，电互连技术发展到纳米尺度，遭遇了功耗大和信号延迟两大物理瓶颈，而光互连技术因容量大、带宽大、功耗低等优点被推举并获广泛关注，尤其硅基片上光互连技术更被一致看好，因为硅有成熟的微纳加工处理工艺，且有良好的光学、电学特性。然而，光-电子器件尺寸失配、宽禁带半导体硅材料在低于其带隙能量(1.12eV)的光通信波段(波长大于1.1μm)无吸收，成为制约硅基光电集成技术发展的重要原因之一。因此，发展高效率、高速度的硅基纳米光电转换理论和方法，推动硅基片上光互连技术快速发展至关重要。

早期光通信波段硅基光电探测技术主要基于破坏硅晶格结构，在禁带中引入缺陷能级，从而提高硅对低能量光子吸收的物理机制，实现手段主要有利用高强度飞秒激光脉冲照射SF₆环境中的硅表面产生微结构(J.E.Carey，C.H.Crouch，M.Shen，and E.Mazur，“Visible and near-infrared responsivity offemtosecond-laser microstructured silicon photodiodes，”Opt.Lett.30，1773-1775，2005；Z.Huang，J.E.Carey，M.Liu，X.Guo，E.Mazur，and J.C.Campbell，“Microstructured silicon photodetector”，Appl.Phys.Lett.89，033506，2006.)，硅离子注入(A.P.Knights，J.D.B.Bradley，S.H.Gou，and P.E.Jessop，“Silicon-on-insulator waveguide photodetector withself-ion-implantation-engineered-enhanced infrared response，”J.Vac.Sci.Technol.A24，783-786，2006；韩培德，全硅波导型光电转换器及其制造方法，专利申请号：200710121973.0)，氦离子注入(Y.Liu，C.W.Chow，W.Y.Cheung，and H.K.Tsang，“In-line channel power monitor based on helium ion implantation insilicon-on-insulator waveguides，”IEEE Photonics Technol.Lett.18，1882-1884，2006.)，以及低温沉积多晶硅(K.Preston，Y.H.D.Lee，M.Zhang，and M.Lipson，“Waveguide-integrated telecom-wavelength photodiode in deposited silicon，”Opt.Lett.36，52-54，2011.)等方法。虽然硅在光通信波段吸收率得到一定增强，但晶格缺陷导致光电探测器暗电流过大，因此，该技术并非十分有效。利用双光子吸收效应(T.K.Liang，H.K.Tsang，I.E.Day，J.Drake，A.P.Knights，and M.Asghari，“Sfiicon waveguide two-photon absorption detector at 1.5μm wavelengthfor autocorrelation measurements，”Appl.Phys.Lett.81，1323-1325，2002；T.Tanabe，H.Sumikura，H.Taniyama，A.Shinya，and M.Notomi，“All-silicon sub-Gb/stelecom detector with low dark current and high quantum efficiency on chip，”Appl.Phys.Lett.96，101103，2010.)，也可实现硅在近红外波段的吸收，但非线性效应要求高功率输入或者在高品质因数的谐振腔中才可实现。近年来，混合集成窄禁带锗(见综述J.Michel，J.Liu，and L.C.Kimerling，“High-performance Ge-on-Siphotodetectors，”Nat.Photonics 4，527-534，2010.)或者III-V族半导体(D.Liang，A.W.Fang，H.-W.Chen，M.N.Sysak，B.R.Koch，W.Lively，O.Raday，Y.-H.Kuo，R.Jones，and J.E.Bowers，“Hybrid silicon evanescent approach to opticalinterconnects，”Appl.Phys.A 95，1045-1057，2009；Z.Sheng，L.Liu.J.Brouckaert，S.He，and D.Van Thourhout，“InGaAs PIN photodetectors integrated onsilicon-on-insulator waveguides，”Opt.Express 18，1756-1761，2010.)等有缘吸收材料到硅波导回路，并构筑倏逝波耦合模式进行光电探测的技术发展迅速，其光电探测性能可与商用探测器相匹敌。然而过分依赖价格昂贵的锗或III-V族半导体材料，对薄膜生长、键合工艺要求苛刻。

一种可行的方案是利用内部光发射(Internal Photoemission，IPE)机制：在金属-半导体界面构筑肖特基二极管结构，金属电子吸收入射光后，自身能量得以提升。如果电子能量大于肖特基势垒，且朝该界面运动，该激发电子便可越过肖特基势垒进入半导体中，被电极收集形成光电流。光子能量大于肖特基势垒，便可被肖特基二极管探测。然而，内部光发射效率低导致该探测器的光电响应度也非常低(mA/W量级甚至更小)，因此，提高IPE效率，发展高性能的硅基近红外光电探测理论和方法具有非常重要的实际意义。

IPE是发生在金属-半导体界面上的一种物理效应。在半导体中构建法布里-帕罗谐振腔(M.Casalino，L.Sirleto，L.Moretti，M.Gioffrè，G.Coppola，and I.Rendina，“Silicon resonant cavity enhanced photodetector based on the internalphotoemission effect at 1.55μm：Fabrication and characterization，”Appl.Phys.Lett.92，251104，2008.)，或者介质波导结构(M.Casalino，L.Sirleto，M.Iodice，N.Saffioti，M.Gioffrè，I.Rendina，and G.Coppola，“Gu/p-Si Schottky barrier-basednear infrared photodetector integrated with a silicon-on-insulator waveguide，”Appl.Phys.Lett.96，241112，2010；S.Zhu，M.B.Yu，G.Q.Lo，and D.L.Kwong，“Near-infrared waveguide-based nickel silicide Schottkv-barrier photodetector foroptical communications，”Appl.Phys.Lett.92，081103，2008.)，均非直接作用于IPE的方法，因此增强效果有限。近年来，随着纳米制备工艺的发展，人们对存在于金属-介质界面上的表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)的认识越来越深入。SPPs可以以波的形式，也可以以谐振模式存在于金属-介质界面纳米量级的范围内，拥有极强的电场强度。若将SPPs引入到肖特基二极管的肖特基接触面上，利用SPPs与IPE之间的相互作用，IPE效率必可得以大幅度提高。然而，SPPs的激发条件非常苛刻，存在固有的波长敏感和偏振敏感特性，影响光电探测的光学响应带宽和偏振响应特性(M.Fukuda，T.Aihara，K.Yamaguchi，Y.Y.Ling，K.Miyaji，and M.Tohyama，“Light detection enhanced bysurface plasmon resonance in metal film，”Appl.Phys.Lett.96，153107，2010；M.W.Knight，H.Sobhani，P.Nordlander，and N.J.Halas，“Photodetection with activeoptical antennas，”Science 332，702-704，2011.)，不利于实际应用。2009年以来，人们先后在理论(A.Akbari，and P.Berini，“Schottky contact surface-plasmondetector integrated with an asymmetric metal strip waveguide，”Appl.Phys.Lett.95，021104，2009；C.Scales，I.Breukelaar，and P.Berini，“Surface-plasmon Schottkycontact detector based on a symmetric metal strip in silicon，”Opt.Lett.35，529-531，2010.)和实验(A.Akbari，R.Niall Tait，and P.Berini，“Surface plasmon waveguideSchottky detector，”Opt.Express 18，8505-8514，2010；I.Goykhman，B.Desiatov，J.Khurgin，J.Shappir，and U.Levy，“Locally oxidized silicon surface-plasmonSchottky detector for telecom regime，”Nano Lett.11，2219-2224，2011.)上证明了基于表面等离子体波导的肖特基二极管结构可有效提高IPE效率，且光电响应带宽覆盖整个近红外波段，有效克服了SPPs固有的波长敏感特性。但是，这些表面等离子体波导结构只支持横磁(Transverse Magnetic，TM)偏振模式，而不支持横电(Transverse Electronic，TE)偏振模式，因此，该探测器在TE偏振光输入的情况下光电响应明显劣于TM偏振光输入的情况。此外，该探测器的有源区域须足够长(几十微米)才能充分吸收入射光，产生足够大的光电流，集成化程度有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种近红外波段全硅基纳米光电探测器。

近红外波段全硅基纳米光电探测器包括基底、硅纳米线光波导、肖特基接触电极、欧姆接触电极和绝缘层，在基底上构筑硅纳米线光波导，肖特基接触电极覆盖在硅纳米线光波导的顶部和侧壁，硅纳米线光波导与肖特基接触电极之间涂覆绝缘层，在硅纳米线光波导的平板区上相距肖特基接触电极1～2μm的地方设置欧姆接触电极，入射光从硅纳米线光波导输入，在肖特基接触区域被吸收，通过内部光发射效应转化为光生载流子，被肖特基接触电极和欧姆接触电极收集形成光电流，实现光电转换。

本发明具有的有益效果是：

1.本发明采用肖特基二极管的IPE效应，克服了宽禁带半导体硅对近红外光不吸收而无法制作全硅基光电探测器的物理限制。器件结构简单，可采用CMOS工艺完全制备，成本低廉。

2.本发明结合IPE与SPPs的相互作用，利用SPP波对光子能量的强局域特性，大幅度提高了光子吸收率，因此，器件结构可以非常小而不影响其光电转换效率。

3.本发明的基本构型建立在偏振不敏感的金属覆盖的硅纳米线光波导基础上，具有超大带宽和偏振不敏感的优良光电响应特性，可在硅基片上光互连系统中得到广泛应用。

附图说明

图1是近红外波段全硅基纳米光电探测器的结构示意图；

图2是近红外波段全硅基纳米光电探测器在TE/TM偏振光输入情况下的光电响应曲线，插图为光吸收谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，近红外波段全硅基纳米光电探测器包括基底1、硅纳米线光波导2、肖特基接触电极3、欧姆接触电极4和绝缘层5，在基底1上构筑硅纳米线光波导2，肖特基接触电极3覆盖在硅纳米线光波导2的顶部和侧壁，硅纳米线光波导2与肖特基接触电极3之间涂覆绝缘层5，在硅纳米线光波导2的平板区上相距肖特基接触电极31～2μm的位置设置欧姆接触电极4，入射光从硅纳米线光波导2输入，在肖特基接触区域被吸收，通过内部光发射效应转化为光生载流子，被肖特基接触电极3和欧姆接触电极4收集形成光电流，实现光电转换。

入射光子能量只须高于肖特基势垒即可被该探测器检测，有效克服了宽禁带半导体硅因对近红外光不吸收而无法制作全硅基光电探测器的物理限制。肖特基接触电极须足够薄以便捕获了光子能量的电子(空穴)可以在非肖特基接触面和肖特基接触面之间来回反射，提高跃迁几率，达到提高内量子效率和光电转换效率的目的。绝缘层用于减小肖特基接触电极与硅纳米线光波导之间的接触面积，从而减小探测器暗电流。探测器的光电响应特性取决于硅纳米线光波导与肖特基接触电极的结构特点。本发明采用金属电极覆盖硅纳米线光波导顶部和侧壁的结构设计，不仅具有非常大的传输带宽，还支持TM/TE偏振模式，因此，基于该结构的探测器具有超大带宽和偏振不敏感的优良响应特性。

下面给出本发明的一个具体实施例。硅纳米线光波导宽400nm，脊高250nm，平板区厚50nm，掺杂类型可为N型或者P型；金属电极选用20nm厚，4μm长的金；选用50nm厚的SU-8作为绝缘层。

计算公式

可得到探测器暗电流大小。式中，C_area是肖特基接触面积，A^**是有效理查森常数(电子和空穴的有效理查森常数分别为112和32Acm^-2K^-2)，Φ_B为肖特基势垒高度(金-N型硅和金-P型硅之间构成的肖特基势垒高度分别是0.8和0.34eV)，k_B为波尔兹曼常数，T为绝对温度。若采用P型硅纳米线光波导制作肖特基探测器，室温下的暗电流为156nA。若将光波导更换为N型掺杂，由于金-N型硅之间的肖特基势垒较高，所以暗电流可大大减小，仅有0.01pA。

光电转换效率可通过内量子效率获得，即

其中，A为光子吸收效率，可通过时域有限差分方法计算，q为电子电荷量，E₀为入射光子能量，内量子效率η_i取决于IPE发射几率，即发射几率为 $P\left(E_0\right)=P_0+(1-P_0)P_1+(1-P_0)(1-P_1)P_2+...+P_n\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Π}}}(1-P_k),$ 其中

表示载流子能量减小到肖特基势垒之前在金属中来回运动的次数，P_k＝P(E_k)表示能量为E_k的载流子的发射几率，具体可表示为：

(当

时)，L为金属中的载流子的衰减长度，t为肖特基金属电极厚度。

图2所示为本发明的一个实施例在TE/TM偏振光入射情况下的光电响应曲线，插图为光吸收谱。图中曲线表明，该探测器可在能量低于硅禁带宽度的近红外波段具有明显的光电响应，覆盖整个光通信波段(1.2-1.6μm)，且在此范围内未见明显的偏振敏感特性。硅纳米线光波导的P型掺杂有利于与金电极形成势垒高度低的肖特基二极管结构，因此，光电转换效率远高于N型掺杂的情况。

Claims (1)

1. 一种近红外波段全硅基纳米光电探测器，其特征在于，包括基底（1）、硅纳米线光波导（2）、肖特基接触电极（3）、欧姆接触电极（4）和绝缘层（5），在基底（1）上构筑硅纳米线光波导（2），肖特基接触电极（3）覆盖在硅纳米线光波导（2）的顶部和侧壁，硅纳米线光波导（2）与肖特基接触电极（3）之间涂覆绝缘层（5），在硅纳米线光波导（2）的平板区上相距肖特基接触电极（3）1～2 μm的地方设置欧姆接触电极（4），入射光从硅纳米线光波导（2）输入，在肖特基接触区域被吸收，通过内部光发射效应转化为光生载流子，被肖特基接触电极（3）和欧姆接触电极（4）收集形成光电流，实现光电转换。

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