[논문 리뷰] Ge-Ge$_{0.92}$Sn$_{0.08}$ core-shell single nanowire infrared photodetector with superior characteristics for on-chip optical communication

Sudarshan Singh, Subhrajit Mukherjee외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 04.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 37인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 화학기상증착를 통해 성장시킨 코어-쉘 Ge-Ge₀.₉₂Sn₀.₀₈ 단일 나노와이어 광검출기를 제시하며, 1.55 µm에서 실온에서 뛰어난 응답도(~70.8 A/W)와 광전도성 이득(~57)을 달성하여, Si CMOS 기술과 호환되는 고성능 온칩 적외선 검출을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 그룹-IV 반도체를 사용하여 온칩 광통신을 위한 고성능, CMOS 호환성 있는 적외선 광검출기를 개발하기 위해.
• 코어-쉘 나노와이어 구조를 활용하여 고주성분 Sn 함유 GeSn 합금에서의 격자 불일치 및 결함 형성을 극복하기 위해.
• 1.55 µm 파장에서 실온에서 높은 응답도와 이득을 갖는 우수한 광검출 성능을 달성하기 위해.
• CVD를 통해 성장시킨 Ge-Ge₀.₉₂Sn₀.₀₈ 코어-쉘 나노와이어를 실용적 광검출기 응용에 활용할 수 있는지를 입증하기 위해.

제안 방법

• Ge 코어는 330 °C에서, GeSn 셸은 310 °C에서 촉매 보조 화학기상증착을 통해 Si(111) 기판 상에 Ge-Ge₀.₉₂Sn₀.₀₈ 코어-쉘 나노와이어를 성장시켰다.
• Sn 농도(~8.0 at.%)와 응력 상태(~−2.6% 축방향 응력)를 결정하기 위해 X선 광전자 분광법(XPS)과 라만 분광법을 사용하였다.
• 고립된 나노와이어에 전자빔 리지오그래피를 이용해 Cr/Au 전극을 패턴화하여 금속-반도체-금속(MSM) 광검출기를 제작하였다.
• 어두운 상태와 조명 조건에서의 전류-전압(I-V) 특성을 측정하여 암전류, 응답도, 광전도성 이득을 평가하였다.
• 광전류가 입사 광출력에 대한 의존성을 거듭제곱 법칙 피팅(Iph ∝ Pᵞ)을 통해 분석하여 이득과 응답도를 추출하였다.
• 신호 대 잡음 성능을 추정하기 위해 소음 전류 모델 〈𝑖𝑛²〉 = [2𝑞𝑖𝑑 + 4𝑘𝐵𝑇/𝑅]Δ𝑓를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코어-쉘 Ge-Ge₀.₉₂Sn₀.₀₈ 나노와이어 구조는 고주성분 Sn 함유 GeSn 합금에서의 결함 형성과 비오염 전류를 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ2 CVD로 성장한 Ge-Ge₀.₉₂Sn₀.₀₈ 코어-쉘 나노와이어의 실제 Sn 농도와 응력 상태는 무엇이며, 이는 전자적 성질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 이 소재를 기반으로 한 단일 나노와이어 MSM 광검출기는 1.55 µm 작동 조건에서 실온에서 높은 응답도와 이득을 달성할 수 있는가?
• RQ4 장치 성능은 적용된 전압과 입사 광출력에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• XPS를 통해 측정된 Ge-Ge₀.₉₂Sn₀.₀₈ 코어-쉘 나노와이어의 Sn 농도는 약 ~8.0 at.%이며, 라만 분광법 결과(~8.3 at.%)와 일치한다.
• 나노와이어는 −2.6%의 축방향 응력을 보이며, 이는 Ge 코어에 인장 응력이 존재함을 시사하며, 이는 향상된 흡수를 위한 직접 밴드 갭 달성에 기여할 수 있다.
• 제작된 단일 나노와이어 MSM 광검출기는 0V에서 암전류가 약 ~10⁻⁹ A로 나타나 낮은 비오염 전류를 보였다.
• 0V에서 1.55 µm 조명(~6.37 mW/cm²) 조건에서 광전류 반응이 약 ~280 pA이며, 상승 시간이 약 ~8 s로 측정되었다.
• 적용 전압이 −1.0 V일 때 응답도는 약 ~70.8 A/W, 광전도성 이득은 약 ~57에 도달하여 대부분의 보고된 GeSn 기반 장치보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 장치는 높은 감도(~8.4 × 10⁹ Jones)를 유지하며, 광전류가 입사 광출력에 대한 거듭제곱 법칙 의존성(지수 γ ≈ 0.98)을 보이며 효율적인 실리콘 수집을 나타낸다.