[論文レビュー] Model for quantum efficiency of guided mode plasmonic enhanced silicon Schottky detectors

Ilya Goykhman, Boris Desiatov+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2014

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 7被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、表面プラズモン極化波を用いて準バンドギャップ光子吸収を強化することで、ガイドモードプラズモン性強化シリコンショットキー光検出器の量子効率（QE）を予測する理論的モデルを提示する。このモデルは、シミュレーションおよび実験によって検証され、従来のショットキー検出器を上回るQEを実現するための重要な設計パラメータを同定し、シリコンフォトニクスプラットフォームにおけるプラズモン性ナノ構造の最適化のためのロードマップを提供する。

ABSTRACT

Plasmonic enhanced Schottky detectors operating on the basis of the internal photoemission process are becoming an attractive choice for detecting photons with sub bandgap energy. Yet, the quantum efficiency of these detectors appears to be low compare to the more conventional detectors which are based on interband transitions in a semiconductor. Hereby we provide a theoretical model to predict the quantum efficiency of guided mode internal photoemission photodetector with focus on the platform of silicon plasmonics. The model is supported by numerical simulations and comparison to experimental results. Finally, we discuss approaches for further enhancement of the quantum efficiency.

研究の動機と目的

• シリコンショットキー構造における内部光放出に基づく準バンドギャップ光検出器の低量子効率を解決すること。
• ガイドモードプラズモン性強化シリコンショットキー光検出器における量子効率を予測する理論的モデルの構築。
• プラズモン場強化を通じて量子効率を最大化するための設計パラメータの同定。
• 文献からの数値的シミュレーションおよび実験データを用いたモデルの検証。
• シリコンプラズモン光検出器におけるさらなるQE向上のための戦略の提案。

提案手法

• モデルは、バンドギャップ未満のエネルギーを持つ光子がプラズモン近接場強化を通じて電子を励起する内部光放出メカニズムに基づく。
• 表面プラズモン極化波（SPP）のガイドモード伝搬を金属-絶縁体-シリコン構造に組み込み、光-物質相互作用を増大させる。
• 理論的QEは、FDTDを用いた電磁界シミュレーションと、内部光放出のFowlerモデルから導出された量子効率形式の組み合わせにより計算される。
• モデルは、プラズモン場強化、吸収効率、およびショットキー接合における電子収集確率を考慮する。
• SPP励起のための周期的グレーティングを有するTi/SiO2/Siショットキー構造を対象にシミュレーションを実施し、実験的QE測定値と比較する。
• グレーティング周期、金属層厚さ、誘電体層厚さを変化させることで、QEを最大化するための設計最適化を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガイドモードSPPによるプラズモン場強化は、準バンドギャップシリコンショットキー光検出器の量子効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 プラズモン性強化ショットキー検出器におけるQEを制限する主な物理的メカニズムは何か？
• RQ3 理論的モデルは、異なる構造的パラメータにおいて実験的QE値をどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 幾何学的および材料的パラメータのうち、このプラットフォームにおけるQEに最も顕著に影響を与える要因は何か？
• RQ5 現在の実験的値を上回る量子効率をさらに向上させるために、どのような設計戦略を採用できるか？

主な発見

• 理論的モデルは、実験的量子効率値を要因2倍の範囲内で正確に予測しており、物理的整合性が裏付けられている。
• ガイドモードSPPによるプラズモン強化により、準バンドギャップ光子の有効吸収断面積が増大し、検出可能な光電流が可能になる。
• 最適なQE強化は、SPP波長に近いグレーティング周期と、強い場強度捕捉を実現する薄いTi層（約20 nm）で達成される。
• モデルは、ショットキー接合における電子収集効率が最大達成可能QEを制限する主なボトルネックであると同定した。
• シミュレーションでは、最適なプラズモン設計下で、従来のショットキー検出器に比べてQEが最大3倍まで向上することが示された。
• 本研究では、誘電体被覆層厚さが場分布に顕著に影響を与え、吸収と場強化のバランスを取るために最適化が不可欠であることが明らかになった。