Fotodetectores basados en silicio con cavidades resonantes para sensado polarimétrico en infrarrojo cercano

Resumen

Este estudio introduce un fotodetectador basado en silicio que acopla una rejilla de oro sub-longitud de onda con una cavidad resonante para realizar detección polarimétrica en infrarrojo cercano (NIR). La interfaz Schottky oro-silicio cosecha electrones calientes generados por resonancias de plasmones de superficie, extendiendo el rango de detección del silicio más allá de su banda prohibida. Simulaciones de diferencias finitas en el dominio temporal (FDTD) guiaron el diseño del dispositivo, mientras la litografía de haz de electrones permitió nanofabricación precisa. Resultados experimentales muestran un pico de responsividad de 0,386 A W⁻¹ a 860 nm bajo sesgo de −2 V y una ratio pico-valle de polarización de 8,3, demostrando el potencial de la fotónica todo-silicio para sensores NIR de bajo costo y alto rendimiento.

Antecedentes

La rápida evolución de las comunicaciones ópticas demanda fotodetectores polarimétricos (PDs) económicos operando en NIR. Compuestos tradicionales III-V y II-VI, como GaAs/InGaAs y TeCdHg, ofrecen altos coeficientes de absorción pero sufren de procesos de crecimiento costosos y compatibilidad CMOS limitada. El silicio, columna vertebral de la industria de semiconductores, ha emergido como plataforma viable para optoelectrónica gracias a su procesamiento maduro, compatibilidad CMOS y avances recientes en fotónica de silicio. Al integrar detectores de nanohilos de silicio con estructuras fotónicas, investigadores han comenzado a explorar nuevas funcionalidades, incluyendo detección polarimétrica.

Basándose en trabajos previos con PDs de nanohilos de silicio, este artículo presenta un detector todo-silicio que incrusta una rejilla metálica sub-longitud de onda para servir simultáneamente como polarizador y cavidad resonante. Tres desafíos impulsan el diseño: (1) extender la sensibilidad de nanohilos de silicio al NIR, (2) integrar un polarizador compacto, y (3) mejorar la responsividad mediante estructuras de recolección de luz. La arquitectura propuesta combina una rejilla de oro sub-longitud de onda, una red de nanohilos de silicio de altura controlada, y un resonador plasmónico que facilita generación de electrones calientes y fotoemisión interna (IPE) en la interfaz Schottky, permitiendo detección NIR de banda ancha y sensible a polarización.

Métodos/Experimental

Diseño de Detectores de Polarización Todo-Si

La Figura 1a ilustra la geometría del dispositivo. Redes de nanohilos de silicio se fabricaron en silicio tipo n ligero (500 µm grueso, 1–10 Ω cm) con paso de 400 nm y alturas (H) de 100 nm a 300 nm, usando proceso estándar de grabado en seco. Una barrera Schottky se forma en la interfaz oro-silicio. La Figura 1b muestra el resonador plasmónico de superficie, consistente en capas de oro arriba y abajo de la red de nanohilos.

Diagrama esquemático del fotodetectador metal-semiconductor sintonizado por resonador en silicio y su principio fotoelectrónico. a, b Layout del dispositivo. c, d Diagramas de bandas de energía para la unión Schottky bajo iluminación con y sin sesgo DC. e Fotoemisión interna de electrones calientes generados por plasmones de superficie.

Las Figuras 1c y 1d muestran la curvatura de bandas en la interfaz Si-Au bajo diferentes condiciones de sesgo. Energías de fotón que exceden la banda prohibida del silicio (hν > E_g) normalmente generan pares electrón-hueco, absorbidos solo en rango visible. Sin embargo, electrones calientes producidos por el efecto de fotoemisión interna (IPE) en la capa de oro pueden atravesar la barrera Schottky, permitiendo detección NIR. La rejilla de oro sub-longitud de onda en la parte superior del nanohilo también funciona como polarizador, sintonizando la longitud de onda de resonancia vía sus parámetros geométricos.

Simulaciones FDTD

Para optimizar la estructura para detección polarimétrica NIR de alta eficiencia, realizamos simulaciones FDTD 3D usando Lumerical. Condiciones de frontera periódicas se aplicaron en direcciones x e y, con capas perfectamente adaptadas entlang z. Una onda plana TM polarizada propagándose entlang z sirvió como fuente de excitación. La rejilla de oro se fijó a espesor 85 nm, ancho 200 nm y paso 400 nm. Monitores de reflexión y transmisión en la parte superior e inferior del sustrato de silicio produjeron espectros de absorción vía A = 1 − R − T.

Fabricación del Dispositivo

El dispositivo se fabricó usando litografía de haz de electrones. Una capa de 300 nm PMMA se depositó por centrifugado y horneó a 180 °C por 12 min. Tras exposición JEOL 6300FS, el resist se reveló en MIBK/IPA (1:3) a 23 °C por 60 s. Óxido nativo se eliminó con HF tamponado 2 %, seguido por evaporación térmica de 2 nm Cr/70 nm Au. Lift-off en acetona a 60 °C completó el patrón. La rejilla de oro se grabó posteriormente en el silicio mediante grabado iónico reactivo (RIE) en plasma basado en flúor, formando la red de nanohilos. Finalmente, una película de 15 nm Au se depositó sobre todo el dispositivo para crear la cavidad resonante.

Caracterización Fotoeléctrica

Medidas eléctricas se realizaron en rango 0,7–1,1 µm usando fuente de luz calibrada (OPM 35S). Características corriente-voltaje (I-V) se registraron bajo iluminación y en oscuridad.

Resultados y Discusión

Las Figuras 2a-d muestran la geometría transversal de las cuatro variantes de dispositivo: (1) Si planar con pad de contacto, (2) rejilla Au en Si planar, (3) rejilla Au sobre nanohilos Si, y (4) detector completo de cavidad resonante. Espectros simulados de transmisión, reflexión y absorción se muestran en Figuras 2e-g. Para red de nanohilos de 210 nm de altura, la absorción a 860 nm pica con ancho a media altura (FWHM) de ~300 nm, atribuible a resonancias Fabry-Pérot entre capas superior e inferior de oro. La alta intensidad de campo eléctrico entre capas metálicas, ilustrada en Figura 2h(iii), indica conversión eficiente plasmón-a-electrón caliente.

Diagramas de los cuatro dispositivos investigados y resultados FDTD correspondientes. a Sustrato Si planar. b Rejilla Au en Si. c Rejilla Au en nanohilos Si. d Detector completo con capas Au superior e inferior. e–g Espectros de transmisión, reflexión y absorción. h Distribuciones de campo eléctrico a 860 nm para estructuras (b), (c) y (d).

Análisis de polarización (Figura 3a) muestra pico de absorción a 860 nm, con variación periódica de absorción versus ángulo de polarización produciendo ratio pico-valle de ~17:1. La optimización del perfil de rejilla podría mejorar aún más esta ratio.

Propiedades de polarización teóricas del detector resonante. a Espectros de absorción versus ángulo de polarización. b Absorción dependiente de polarización a 860 nm.

Micrografías SEM (Figura 4) confirman la fidelidad de fabricación de cada estructura, con el detector resonante mostrando la esperada cavidad de oro bicapa y red de nanohilos.

Imágenes SEM de las cuatro variantes de dispositivo: (a) solo pad de contacto, (b) rejilla Au en Si planar, (c) rejilla Au en nanohilos Si, (d) detector resonante completo.

Medidas eléctricas (Figura 5a) revelan que el detector resonante (Str.4) exhibe fotocorriente un orden de magnitud mayor bajo sesgo negativo de −2 V comparado con otras estructuras. Corriente oscura permanece baja (~27 nA) debido a resistencia aumentada de nanohilos y capa de agotamiento en interfaz Au/Si de 15 nm.

Curvas I-V medidas y responsividad del detector resonante. a I-V logarítmico bajo 16,6 mW cm⁻². b I-V en oscuridad. c Espectro de responsividad a −2 V. d Dependencia de responsividad con sesgo a 860 nm.

Análisis del I-V en oscuridad usando modelo de emisión termiónica produce altura de barrera Schottky Φ_B ≈ 0,57 eV y factor de idealidad n ≈ 1,43, confirmando emisión termiónica como mecanismo de transporte dominante. La responsividad pica a 0,386 A W⁻¹ con FWHM 150 nm, consistente con perfil de absorción simulado. Un ajuste Lorentziano al espectro de responsividad da Φ_B ≈ 0,58 eV, validandoさらに el mecanismo de detección IPE.

Bajo intensidades de iluminación variables (Figura 6b), la fotocorriente del detector escala linealmente (I_ph = A P^θ, θ ≈ 1), confirmando que la fotocorriente se gobierna por número de portadores generados. La responsividad alcanza 0,386 A W⁻¹ a −2 V y 0,146 A W⁻¹ a 0 V.

Rendimiento del fotodetector bajo intensidades de luz variables. a Curvas I-V logarítmicas en oscuridad y bajo iluminación. b Responsividad versus intensidad de iluminación a −2 V. c Respuesta de fotocorriente a iluminación onda cuadrada.

Sensibilidad a polarización (Figura 7) muestra ratios pico-valle de 5,6, 6,4 y 8,3 para rejilla Au planar, rejilla Au-nanohilo y detector resonante, respectivamente, demostrando la capacidad polarimétrica mejorada de la arquitectura resonante. Modulación rápida de fotocorriente con ángulo de polarización confirma además la idoneidad del dispositivo para sensado polarimétrico.

Demostración de detección polarimétrica. a Fotocorriente versus ángulo de polarización. b Respuesta de fotocorriente resuelta en tiempo a cambios de polarización.

Conclusiones

Hemos demostrado un fotodetectador totalmente basado en silicio que integra una rejilla de oro sub-longitud de onda, una red de nanohilos de silicio y una cavidad resonante de oro bicapa para lograr detección polarimétrica NIR. El dispositivo entrega responsividad pico de 0,386 A W⁻¹ a 860 nm bajo sesgo de −2 V y ratio pico-valle de polarización de 8,3, superando PDs de silicio convencionales en régimen NIR. Simulaciones FDTD confirman que la longitud de onda de detección puede sintonizarse vía parámetros estructurales, ofreciendo flexibilidad para aplicaciones futuras. Una mayor optimización de geometría de rejilla y reducción del espesor de oro superior se espera mejoren responsividad y contraste de polarización, allanando camino para sensores NIR todo-silicio de bajo costo y alto rendimiento.

Abreviaturas

3D:

Tridimensional

DC:

Corriente continua

EBL:

Litografía de haz de electrones

FDTD:

Diferencias finitas en el dominio temporal

FWHM:

Ancho a media altura

IPE:

Efecto de fotoemisión interna

I-V:

Corriente-voltaje

MS:

Metal-semiconductor

NIR:

Infrarrojo cercano

NW:

Nanohilo

PDs:

Fotodetectores

RIE:

Grabado iónico reactivo

SEM:

Microscopio electrónico de barrido