[논문 리뷰] Compact Graphene Plasmonic Slot Photodetector on Silicon-on-insulator with High Responsivity

Zhizhen Ma, Kazuya Kikunage외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 14.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 33인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 플랫폼에 구현된 5 µm 길이의 소형 그래핀 플라스모닉 슬롯 광검출기를 제시한다. 이 장치는 15 nm 이하의 슬롯 간극에서 강한 빛-그래핀 상호작용을 통해 높은 응답도를 달성한다. 이중 리트로그래피를 사용하여 초박편한 슬롯을 실현함으로써, 기존의 광학적 그래핀 광검출기 대비 단위 길이당 응답도가 15배 향상되었으며, 성능은 전기적 캐리어 조절보다는 접합에 의해 유도된 도핑에 의해 주로 결정된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 그래핀 광검출기에서의 약한 빛-그래핀 상호작용 문제를 해결하기 위해 광학적 구속을 강화한다.
• 차세대 광학 회로에 통합 가능한 소형 마이크로미터 스케일 장치에서 높은 응답도를 달성한다.
• 초단기 채널 그래핀 광검출기에서 접합에 의해 유도된 도핑의 역할을 조사한다.
• 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기반 플라스모닉 슬롯 구조를 활용한 확장 가능한 고성능 광검출기 플랫폼을 구현한다.

제안 방법

• 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 플랫폼에 플라스모닉 슬롯 웨이브가이드 구조를 적용하여 하위파장 간극에서 빛을 구속한다.
• 이중 리트로그래피를 사용하여 초박편한(최소 15 nm) 슬롯 간극을 제작함으로써 그래핀 층에서의 전기장 강도를 극대화한다.
• 슬롯 웨이브가이드의 고강도 광모드 내부에 단층 그래핀을 광검출층으로 통합한다.
• 백게이트 전압을 적용하여 캐리어 농도를 조절하면서 광전류 반응을 측정한다.
• 전기적 특성 측정을 통해 전기적 캐리어 조절과 접합에 의해 유도된 도핑 효과 간의 상호작용을 분석한다.
• 슬롯 간극 너비에 따른 응답도 측정을 통해 광학적 구속에 의한 향상 정도를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 플라스모닉 슬롯 웨이브가이드에서 슬롯 간극 너비를 줄이면 광검출기의 응답도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 초단기 채널 그래핀 광검출기에서 캐리어 생성 및 이동을 주도하는 주요 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 왜 그래핀에서 최대 광전류와 디랙 점 사이에 측정 가능한 오프셋이 존재하는가?
• RQ4 15 nm 이하 채널 장치에서 접합에 의해 유도된 도핑이 전기적 캐리어 조절 효과를 얼마나 뛰어넘는가?
• RQ5 마이크로미터 스케일 그래핀 광검출기가 장치 길이를 길게 하지 않고도 높은 응답도를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 최대 응답도는 슬롯 간극 너비에 반비례하며, 간극 너비를 15 nm로 줄였을 때 단위 길이당 응답도가 15배 향상됨을 입증하였다.
• 5 µm 길이의 장치는 플라스모닉 슬롯에서의 강화된 광학적 구속 덕분에 기존의 광학적 그래핀 광검출기보다 뚜렷이 높은 응답도를 달성하였다.
• 초단기 채널 장치에서는 접합에 의해 유도된 도핑이 백게이트 효과를 압도하며, 그래핀 채널에서 준-중성 상태를 이룬다.
• 최대 광전류와 디랙 점 사이의 관측된 오프셋은 내재적 장치 비대칭성 때문이 아니라 접합에 의해 유도된 도핑 때문임을 설명할 수 있었다.
• 비양방향 운반 거동은 강한 접합 도핑 영향으로 인해 게이트 조절 효과가 억제되기 때문에 기인한다.
• 장치는 높은 흡수 효율성과 짧은 캐리어 이동 경로를 확보하여 소형 고성능 광학 부품을 실현하였다.