[論文レビュー] Multiband Tunable Large Area Hot Carrier Plasmonic-Crystal Photodetectors

F. Pelayo Garcı́a de Arquer, Agustín Mihi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2014

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 26被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、金属-半導体接合における熱励起キャリア収集に基づき、可視光から近赤外域にわたり多バンド可変応答を実現する、初めての大面積で低コストな準3次元プラズモニック結晶光検出器を提案する。プラズモニックナノ構造の設計を用いることで、半導体のバンドギャップとは独立してスペクトル感度を調整し、70 mA/Wという画期的な感度を達成した。

ABSTRACT

Optoelectronic functionalities of photodection and light harnessing rely on the band-to-band excitation of semiconductors, thus the spectral response of the devices is dictated and limited by their bandgap. A novel approach, free from this restriction, is to harvest the energetic electrons generated by the relaxation of a plasmonic resonance in the vicinity of a metal-semiconductor junction. In this configuration, the optoelectronic and spectral response of the detectors can be designed ad hoc just by tailoring the topology of metal structures, which has tremendous applications in solar energy harvesting and photodetection. Fully exploiting hot electron based optoelectronics yet requires a platform that combines their exotic spectral capabilities with large scale manufacturing and high performance. Herein we report the first implementation of a large area, low cost quasi 3D plasmonic crystal (PC) for hot electron photodetection, showcasing multiband selectivity in the VIS-NIR and unprecedented responsivity of 70 mA/W.

研究の動機と目的

• 従来の半導体のスペクトル的制限を克服し、光検出応答を材料のバンドギャップから分離すること。
• スペクトル応答を可変にできるスケーラブルで低コストなプラズモニックナノ構造を用いた熱励起電子ベースの光エレクトロニクスプラットフォームの開発。
• 大面積プラズモニック結晶を用いた高機能光検出の実証。多バンド選択性を実現。
• 製造可能で準3次元プラズモニック構造を用いた高感度の感度を達成すること。

提案手法

• 半導体基板上にナノ構造化された金属アレイを用いた大面積で準3次元プラズモニック結晶構造の設計およびプロセス。
• 金属ナノ構造における局所的表面プラズモン共鳴（LSPR）を活用し、光照射時に熱励起電子を生成。
• プラズモニック結晶の幾何学的形状と周期性を調整することで、可視光から近赤外域にわたり共鳴波長を可変化。
• 金属-半導体界面にシュットキー接合を統合し、熱励起電子を効率的に抽出し、光電流を生成。
• 電子ビームリソグラフィーと金属蒸着技術を用いて、プラズモニックナノ構造アレイのスケーラブルなプロセスを実現。
• さまざまな照度条件下でのスペクトル応答および感度の特性評価により、多バンド可変性と性能の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大面積プラズモニック結晶構造は、半導体のバンドギャップとは無関係に多バンド光検出を可能にするか？
• RQ2 設計されたプラズモニックナノ構造を用いた熱励起キャリア光検出器で達成可能な最大感度は何か？
• RQ3 スケーラブルで低コストなプロセスにおいて、可視光から近赤外域にわたりプラズモニックチューニングを効果的に実現できるか？
• RQ4 準3次元構造は、平面的設計と比較して熱励起電子収集効率をどのように向上させるか？
• RQ5 熱励起キャリア光検出器において、スペクトル可変性、感度、デバイスのスケーラビリティの間にはどのようなトレードオフがあるか？

主な発見

• 本デバイスは70 mA/Wという、熱励起キャリア光検出器としては画期的な感度を達成した。
• プラズモニック結晶の幾何学的形状を調整することで、可視光から近赤外域にわたり多バンドスペクトル応答が実証された。
• 大面積で準3次元のプラズモニック構造は、効率的な熱励起電子収集を実現しながらも、可変性を維持している。
• プロセスはスケーラブルで低コストであり、産業的統合に適している。
• スペクトル応答が半導体のバンドギャップから分離されており、光エレクトロニクス応答の柔軟な設計が可能である。
• 設計されたプラズモニック共鳴により、広帯域照度下でも効果的に動作することが確認された。