[論文レビュー] Ge-Ge$_{0.92}$Sn$_{0.08}$ core-shell single nanowire infrared photodetector with superior characteristics for on-chip optical communication

Sudarshan Singh, Subhrajit Mukherjee+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2022

Photonic and Optical Devices参考文献 37被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、化学気相成長法を用いて成長したコアシェル構造のGe-Ge₀.₉₂Sn₀.₀₈単一ナノワイヤー光検出器を提案する。室温で1.55 µm波長において、優れた感度（約70.8 A/W）とフォโตコンダクティブゲイン（約57）を達成し、Si CMOS技術と互換性を持つ高機能なオンチップ赤外検出を実現する。

ABSTRACT

Recent development on Ge$_{1-x}$Sn$_x$ nanowires with high Sn content, beyond its solid solubility limit, make them attractive for all group-IV Si-integrated infrared photonics at nanoscale. Herein, we report a chemical vapour deposition-grown high Sn-content Ge-Ge$_{0.92}$Sn$_{0.08}$ core-shell based single nanowire photodetector operating at the optical communication wavelength of 1.55 $\mu$m. The atomic concentration of Sn in nanowires has been studied using X-ray photoelectron and Raman spectroscopy data. A metal-semiconductor-metal based single nanowire photodetector, fabricated via electron beam lithography process, exhibits significant room-temperature photoresponse even at zero bias. In addition to the high-crystalline quality and identical shell composition of the nanowire, the efficient collection of photogenerated carriers under an external electric field result in the superior responsivity and photoconductive gain as high as ~70.8 A/W and ~57, respectively at an applied bias of -1.0 V. The extra-ordinary performance of the fabricated photodetector demonstrates the potential of GeSn nanowires for future Si CMOS compatible on-chip optical communication device applications.

研究の動機と目的

• グループIV半導体を用いて、オンチップ光通信に適した高機能でCMOS技術と互換性のある赤外光検出器を開発すること。
• コアシェルナノワイヤー構造を採用することで、高スナップ含有量のGeSn合金における格子不整合と欠陥形成の課題を克服すること。
• 1.55 µm波長において、室温で優れた光検出性能（高い感度とゲイン）を実現すること。
• CVD法で成長したGe-Ge₀.₉₂Sn₀.₀₈コアシェルナノワイヤーを用いた実用的光検出器の実現可能性を示すこと。

提案手法

• Geコアの成長を330 °C、GeSnシェルの成長を310 °Cで行い、触媒支援化学気相成長法を用いてSi(111)基板上にGe-Ge₀.₉₂Sn₀.₀₈コアシェルナノワイヤーを成長させた。
• スナップ含有量（約8.0 at.%）および応力状態（約−2.6%一軸応力）を、X線光電子分光法（XPS）およびラマン分光法を用いて測定した。
• 電子線リソグラフィーを用いて孤立したナノワイヤー上にCr/Au電極をパターン形成し、金属-半導体-金属（MSM）光検出器を製作した。
• 暗電流、感度、フォトコンダクティブゲインを評価するために、暗環境および照明下での電流-電圧（I-V）特性を測定した。
• 光出力に依存する光電流の関係をべき乗則フィット（Iph ∝ Pᵞ）を用いて解析し、ゲインおよび感度を抽出した。
• 信号対雑音性能を推定するために、雑音電流モデル 〈𝑖𝑛²〉 = [2𝑞𝑖𝑑 + 4𝑘𝐵𝑇/𝑅]Δ𝑓 を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コアシェル構造のGe-Ge₀.₉₂Sn₀.₀₈ナノワイヤーは、高スナップ含有量のGeSn合金における欠陥形成とリーク電流を効果的に抑制できるか？
• RQ2 CVD法で成長したGe-Ge₀.₉₂Sn₀.₀₈コアシェルナノワイヤーにおける実際のスナップ含有量および応力状態は何か？ また、それらは電子的性質にどのように影響するか？
• RQ3 本材料を用いた単一ナノワイヤーMSM光検出器は、1.55 µm波長で室温で高い感度とゲインを達成できるか？
• RQ4 外部バイアスおよび入射光出力の変化に伴い、デバイス性能はどのように変化するか？

主な発見

• XPSにより測定されたGe-Ge₀.₉₂Sn₀.₀₈コアシェルナノワイヤーのスナップ含有量は約8.0 at.%であり、ラマン分光法による測定値（約8.3 at.%）と整合的である。
• ナノワイヤーは−2.6%の一軸応力を示しており、これはGeコアに引張応力がかかる状態を示し、吸収特性の向上に寄与する直接バンドギャップの実現を支援する可能性がある。
• 作製された単一ナノワイヤーMSM光検出器は、ゼロバイアスで暗電流が約10⁻⁹ Aであり、リーク電流が低いことが示された。
• ゼロバイアス、1.55 µm照射（約6.37 mW/cm²）条件下で、光電流応答が約280 pA、立ち上がり時間が約8 sを示した。
• −1.0 Vの印加バイアス下で、感度は約70.8 A/W、フォトコンダクティブゲインは約57に達し、報告されている大多数のGeSnベースデバイスを大きく上回る性能を示した。
• デバイスは高い検出感度（約8.4 × 10⁹ Jones）を維持しており、光電流と入射光出力の間にはべき乗則的依存関係（指数γ ≈ 0.98）が見られ、効率的なキャリア収率が示された。