[논문 리뷰] Multiband Tunable Large Area Hot Carrier Plasmonic-Crystal Photodetectors

F. Pelayo Garcı́a de Arquer, Agustín Mihi외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 11.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 26인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 금속-반도체 접합에서 열린 전자 수확을 통해 가시광선에서 근적외선 스펙트럼에 걸쳐 다밴드 조절 가능한 반응을 가능하게 하는, 처음으로 대면적, 저비용의 퀀티-3D 플라스모닉 결정 광검출기를 제시한다. 플라스모닉 나노구조를 설계하여 반도체 밴드 갭과 독립적으로 스펙트럼 민감도를 조절함으로써 70 mA/W에 이르는 사상 초월하는 응답도를 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 반도체의 스펙트럼 제한을 극복하기 위해 광검출 반응을 재료의 밴드 갭에서 분리한다.
• 가변성 있는 스펙트럼 반응을 갖는 열전자 기반 온오페트로닉스를 위한 확장 가능하고 저비용의 플랫폼을 개발한다.
• 다밴드 선택성을 가능하게 하는 대면적 플라스모닉 결정을 사용하여 고성능 광검출을 구현한다.
• 제조가 가능한 퀀티-3D 플라스모닉 구조에서 높은 응답도를 달성한다.

제안 방법

• 반도체 기판 위에 나노구조 금속 배열을 사용하여 대면적, 퀀티-3D 플라스모닉 결정 구조를 설계 및 제작한다.
• 빛 조명에 의해 금속 나노구조에서 국소 표면 플라스모닉 공진(PLSR)을 이용해 열전자를 생성한다.
• 플라스모닉 결정의 기하학적 형상과 격자 간격을 조절하여 가시광선에서 근적외선 스펙트럼에 걸쳐 공진 파장을 조절한다.
• 금속-반도체 인터페이스에 슈트키 접합을 통합하여 열전자를 추출하고 광전류를 생성한다.
• 전자선 리소그래피 및 금속 증착 공정을 활용하여 플라스모닉 나노구조 배열의 확장 가능한 제조를 수행한다.
• 다양한 조명 조건 하에서 스펙트럼 반응 및 응답도를 특성화하여 다밴드 조절 가능성과 성능을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대면적 플라스모닉 결정 구조는 반도체 밴드 갭과 무관하게 다밴드 광검출을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 설계된 플라스모닉 나노구조를 사용한 열전자 광검출기에서 확보 가능한 최대 응답도는 얼마인가?
• RQ3 가시광선에서 근적외선 스펙트럼에 걸쳐 확장 가능하고 저비용의 제조 공정에서 효과적인 플라스모닉 조절이 가능할 수 있는가?
• RQ4 3D 구조는 평면형 설계에 비해 열전자 수확 효율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 열전자 광검출기에서 스펙트럼 조절 가능성, 응답도, 장치의 확장성 간의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 장치는 70 mA/W에 이르는 응답도를 달성하였으며, 이는 열전자 광검출기로서는 사상 초월하는 성능이다.
• 플라스모닉 결정 형상의 조절을 통해 가시광선에서 근적외선 범위에 걸쳐 다밴드 스펙트럼 반응이 입증되었다.
• 대면적, 퀀티-3D 플라스모닉 구조는 조절 가능성을 유지하면서도 효율적인 열전자 수확을 가능하게 한다.
• 제조 공정은 확장 가능하고 저비용이며 산업 통합에 적합하다.
• 스펙트럼 반응이 반도체 밴드 갭에서 분리되어 있어 온오페트로닉스 반응의 탄력적 설계가 가능하다.
• 설계된 플라스모닉 공진 덕분에 광역 조명 조건에서도 장치가 효과적으로 작동한다.