[논문 리뷰] Model for quantum efficiency of guided mode plasmonic enhanced silicon Schottky detectors

Ilya Goykhman, Boris Desiatov외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 12.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 7인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 표면 플라스몬 근접장 강화를 통해 고체역학적 표면 플라스몬-강화 실리콘 슈트키 광검출기의 양자 효율(QE)을 예측하기 위한 이론적 모델을 제시한다. 이론적 모델은 시뮬레이션과 실험 결과를 통해 검증되었으며, 전통적인 슈트키 광검출기보다 높은 QE를 달성하기 위한 핵심 설계 매개변수를 규명하여 실리콘 포토닉스 플랫폼 내 플라스몬 나노구조 최적화를 위한 길잡이를 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 슈트키 구조에서 내부 광방출 기반의 고역대 광검출기의 낮은 양자 효율 문제를 해결하기 위해.
• 가닥 모드 플라스몬-강화 실리콘 슈트키 광검출기의 양자 효율을 예측하는 이론적 모델을 개발하기 위해.
• 플라스몬 필드 강화를 통해 최대한의 양자 효율을 달성하기 위한 설계 매개변수를 규명하기 위해.
• 문헌에서 확보한 수치적 시뮬레이션과 실험 데이터를 통해 모델을 검증하기 위해.
• 현재 실험적 수준을 초월한 실리콘 플라스몬 광검출기의 양자 효율 향상 전략을 제안하기 위해.

제안 방법

• 모델은 실리콘 금속간격의 밴드 갭 이하 에너지를 가진 광자가 플라스몬 근접장 강화를 통해 전자를 여기시키는 내부 광방출 메커니즘에 기반한다.
• 표면 플라스몬 폴리톤(SPP)의 가닥 모드 전파를 통해 금속-절연체-실리콘 구조에서 빛-물질 상호작용을 증가시킨다.
• 유한차분시간영역(FDTD)을 사용한 전자기 시뮬레이션과 내부 광방출에 기반한 푸우어 모델에서 유도된 양자 효율 수식을 조합하여 이론적 QE를 계산한다.
• 모델은 플라스몬 필드 강화, 흡수 효율, 그리고 슈트키 접합에서 전자 수확 확률을 고려한다.
• SPP를 자극하기 위해 주기적 격자로 구성된 Ti/SiO2/Si 슈트키 구조에서 시뮬레이션을 수행하고, 결과를 실험적 QE 측정치와 비교한다.
• 격자 간격, 금속 두께, 절연체 두께를 변화시켜 QE를 최대화하기 위해 설계 최적화를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가닥 모드 SPP를 통한 플라스몬 필드 강화는 고역대 실리콘 슈트키 광검출기의 양자 효율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 플라스몬 강화 슈트키 광검출기에서 QE를 제한하는 주요 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 이론적 모델은 다양한 구조 매개변수에 대해 실험적 QE 값을 어느 정도 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ4 기하학적 및 재료적 매개변수 중에서 이 플랫폼의 QE에 가장 크게 영향을 미치는 것은 무엇인가?
• RQ5 현재 실험적 수준을 초월하여 양자 효율을 추가로 향상시키기 위해 어떤 설계 전략을 적용할 수 있는가?

주요 결과

• 이론적 모델은 실험적 양자 효율 값을 요인 2 이내로 정확하게 예측하여 물리적 일관성을 입증한다.
• 가닥 모드 SPP를 통한 플라스몬 강화는 고역대 광자에 대한 효과적인 흡수 단면적을 증가시켜 감지 가능한 정류 전류를 가능하게 한다.
• 최적의 QE 향상은 SPP 파장 근처의 격자 간격과 강한 필드 봉쇄를 위한 얇은 투이층(~20 nm)에서 달성된다.
• 모델은 슈트키 접합에서 전자 수확 효율이 최대 달성 가능한 QE를 제한하는 주요 병목 현상임을 규명했다.
• 시뮬레이션 결과, 최적의 플라스몬 설계 조건에서 기존 슈트키 광검출기 대비 QE가 최대 3배까지 향상될 수 있음을 보여준다.
• 연구는 절연체 캡 층 두께가 필드 분포에 결정적인 영향을 미치며, 흡수와 필드 강화를 균형 있게 유지하기 위해 최적화가 필요하다는 것을 밝혔다.