[論文レビュー] Compact Graphene Plasmonic Slot Photodetector on Silicon-on-insulator with High Responsivity

Zhizhen Ma, Kazuya Kikunage+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2018

Photonic and Optical Devices参考文献 33被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、シリコンオンインシュレーター（SOI）プラットフォーム上に実装された、5 µm長のコンactなグラフェンプラズモニックスロット光検出器を提示する。このデバイスは、15 nm未満のスロットギャップにおける強い光-グラフェン相互作用により高い効率を達成している。二重リソグラフィーを用いて超狭いスロットを実現することで、従来のフォトニックグラフェン検出器と比較して、単位長あたり15倍の感度向上を達成した。性能は静電的ゲーティングではなく、接触に起因するドーピングに支配されている。

ABSTRACT

Graphene has extraordinary electro-optic properties and is therefore a promising candidate for monolithic photonic devices such as photodetectors. However, the integration of this atom-thin layer material with bulky photonic components usually results in a weak light-graphene interaction leading to large device lengths limiting electro-optic performance. In contrast, here we demonstrate a plasmonic slot graphene photodetector on silicon-on-insulator platform with high-responsivity given the 5 um-short device length. We observe that the maximum photocurrent, and hence the highest responsivity, scales inversely with the slot gap width. Using a dual-lithography step, we realize 15 nm narrow slots that show a 15-times higher responsivity per unit device-length compared to photonic graphene photodetectors. Furthermore, we reveal that the back-gated electrostatics is overshadowed by channel-doping contributions induced by the contacts of this ultra-short channel graphene photodetector. This leads to quasi charge neutrality, which explains both the previously-unseen offset between the maximum photovoltaic-based photocurrent relative to graphenes Dirac point and the observed non-ambipolar transport. Such micrometer compact and absorption-efficient photodetectors allow for short-carrier pathways in next-generation photonic components, while being an ideal testbed to study short-channel carrier physics in graphene optoelectronics.

研究の動機と目的

• 従来のグラフェン光検出器における弱い光-グラフェン相互作用を克服するため、光の閉じ込めを強化すること。
• 次世代フォトリソグラフィック回路への統合を想定した、コンパクトでマイクロメータスケールの高感度デバイスを実現すること。
• 超短チャネルグラフェン光検出器における接触に起因するドーピングの役割を調査すること。
• プラズモニックスロット構造を用いた、スケーラブルで高性能な光検出器プラットフォームを実証すること。

提案手法

• シリコンオンインシュレーター（SOI）プラットフォーム上に、波長未満のギャップに光を閉じ込めるプラズモニックスロット波ガイド構造を採用する。
• 二重リソグラフィーを用いて、15 nmにまで狭いスロットギャップを形成し、グラフェン層における電場強度を最大化する。
• スロット波ガイドの高強度光モード内に単層グラフェンを光検出層として統合する。
• バックゲート電圧を印加してキャリア密度を調整しながら、光起電力応答を測定する。
• 電気的特性測定を通じて、静電的ゲーティングと接触に起因するドーピングの相乗効果を分析する。
• スロットギャップ幅の関数としての感度を測定し、光の閉じ込めによる効果を定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンプラズモニックスロット波ガイドにおけるスロットギャップ幅の短縮が、光検出器の感度にどのように影響するか？
• RQ2 超短チャネルグラフェン光検出器におけるキャリア生成および輸送を支配する主要なメカニズムは何か？
• RQ3 グラフェンにおいて、最大光起電力電流とディラック点との間に顕著なオフセットが観測される理由は何か？
• RQ4 15 nm未満のチャネルデバイスにおいて、接触に起因するドーピング効果が静電的ゲーティング効果をどの程度上回るか？
• RQ5 長大なデバイス長に依存せずに、マイクロメータスケールのグラフェン光検出器が高感度を達成できるか？

主な発見

• 最大感度はスロットギャップ幅に反比例し、ギャップを15 nmに短縮した場合、単位長あたり15倍の感度向上が確認された。
• 5 µm長のデバイスは、プラズモニックスロットにおける光の閉じ込め強化のおかげで、従来のフォトリソニックグラフェン検出器よりも顕著に高い感度を達成した。
• 超短チャネルデバイスでは、接触に起因するドーピングがバックゲーティング効果を上回り、グラフェンチャネルにおける準中性状態が支配的となった。
• ピーク光起電力電流とディラック点との間のオフセットは、内在的なデバイス非対称性ではなく、接触に起因するドーピングによって説明できる。
• 非双極的輸送特性は、ゲート調製効果を抑制する接触ドーピングの強い影響に起因する。
• 高い吸収効率と短いキャリアパスを実現しており、コンパクトで高性能なフォトリソニック部品の実現に貢献している。