[论文解读] Compact Graphene Plasmonic Slot Photodetector on Silicon-on-insulator with High Responsivity

Zhizhen Ma, Kazuya Kikunage+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2018

Photonic and Optical Devices参考文献 33被引用 5

一句话总结

本论文提出了一种基于绝缘体上硅（SOI）平台的紧凑型5 µm长石墨烯等离子体槽型光电探测器，通过在亚15 nm槽隙中实现强烈的光-石墨烯相互作用，实现了高响应度。通过采用双层光刻技术实现超窄槽隙，该器件在单位长度响应度上相比传统光子型石墨烯探测器提高了15倍，其性能主要由接触诱导掺杂主导，而非静电栅控。

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.

研究动机与目标

• 通过增强亚波长槽隙中的光学限制，克服传统石墨烯光电探测器中光-石墨烯相互作用微弱的问题。
• 在紧凑的微米尺度器件中实现高响应度，以实现下一代光子电路的集成。
• 研究接触诱导掺杂在超短沟道石墨烯光电探测器中的作用。
• 展示一种基于绝缘体上硅平台的可扩展、高性能光电探测器平台，采用等离子体槽结构。

提出的方法

• 在绝缘体上硅（SOI）平台上采用等离子体槽波导结构，将光限制在亚波长量级的间隙中。
• 利用双层光刻技术制造超窄（低至15 nm）槽隙，以最大化石墨烯层中的电场强度。
• 将单层石墨烯作为光电探测层，集成于槽波导的高强度光学模式中。
• 施加背栅电压以调节载流子密度，同时测量光电流响应。
• 通过电学表征分析静电栅控与接触诱导掺杂效应之间的相互作用。
• 测量响应度随槽隙宽度的变化，以量化光学限制带来的增强效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在石墨烯等离子体槽波导中减小槽隙宽度，如何影响光电探测器的响应度？
• RQ2 在超短沟道石墨烯光电探测器中，主导载流子产生与输运的机制是什么？
• RQ3 为何石墨烯中的最大光伏光电流与狄拉克点之间存在可测量的偏移？
• RQ4 在小于15 nm沟道器件中，接触诱导掺杂在多大程度上掩盖了静电栅控效应？
• RQ5 微米尺度的石墨烯光电探测器是否能在不依赖长器件长度的情况下实现高响应度？

主要发现

• 最大响应度与槽隙宽度成反比，当槽隙减小至15 nm时，单位长度响应度提高了15倍。
• 5 µm长的器件由于等离子体槽中增强的光学限制，其响应度显著高于传统光子型石墨烯探测器。
• 在超短沟道器件中，接触诱导掺杂主导于背栅效应，导致石墨烯沟道接近准电中性。
• 光电流峰值与狄拉克点之间的偏移可由接触诱导掺杂解释，而非器件内在不对称性。
• 非双极性输运行为归因于接触掺杂的强烈影响，其抑制了栅极调制效应。
• 该器件表现出高吸收效率和短载流子路径，实现了紧凑、高性能的光子器件。