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

Sudarshan Singh, Subhrajit Mukherjee+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2022

Photonic and Optical Devices参考文献 37被引用 17

一句话总结

本研究通过化学气相沉积法生长出一种核壳结构的Ge-Ge₀.₉₂Sn₀.₀₈单根纳米线光电探测器，在室温下于1.55 µm波长下实现了卓越的响应度（约70.8 A/W）和光电导增益（约57），实现了与Si CMOS技术兼容的高性能片上红外探测。

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.

研究动机与目标

• 开发一种高性能、与CMOS兼容的片上光通信用第四主族半导体红外光电探测器。
• 通过采用核壳纳米线结构，克服高锡含量GeSn合金中的晶格失配与缺陷形成问题。
• 在1.55 µm波长下实现室温下优异的光电探测性能，具备高响应度与高增益。
• 展示采用CVD生长的Ge-Ge₀.₉₂Sn₀.₀₈核壳纳米线在实际光电探测器应用中的可行性。

提出的方法

• 在Si(111)衬底上通过催化剂辅助化学气相沉积法，在330 °C下生长Ge纳米线核心，在310 °C下生长GeSn壳层。
• 利用X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱测定锡含量（约8.0 at.%）及应变状态（约−2.6%单轴应变）。
• 采用电子束光刻技术在孤立纳米线上图案化Cr/Au电极，制备金属-半导体-金属（MSM）光电探测器。
• 测量暗态与光照下的电流-电压（I-V）特性，评估暗电流、响应度与光电导增益。
• 通过幂律拟合（Iph ∝ Pᵞ）分析光电流与入射光功率的关系，以提取增益与响应度。
• 采用噪声电流模型〈𝑖𝑛²〉 = [2𝑞𝑖𝑑 + 4𝑘𝐵𝑇/𝑅]Δ𝑓估算信噪比性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 核壳结构的Ge-Ge₀.₉₂Sn₀.₀₈纳米线能否有效抑制高锡含量GeSn合金中的缺陷形成与漏电流？
• RQ2 CVD生长的Ge-Ge₀.₉₂Sn₀.₀₈核壳纳米线的实际锡含量与应变状态为何？其对电子特性有何影响？
• RQ3 基于该材料的单根纳米线MSM光电探测器能否在室温下实现1.55 µm波长下的高响应度与高增益？
• RQ4 器件性能如何随偏置电压与入射光功率变化而变化？

主要发现

• 通过XPS测定，Ge-Ge₀.₉₂Sn₀.₀₈核壳纳米线的锡含量约为8.0 at.%，与拉曼光谱测得的约8.3 at.%结果一致。
• 纳米线表现出−2.6%的单轴应变，表明Ge核心存在拉伸应力，可能有助于实现直接带隙结构，从而提升吸收效率。
• 所制备的单根纳米线MSM光电探测器在零偏置下暗电流约为10⁻⁹ A，表明漏电流极低。
• 在零偏置与1.55 µm光照（约6.37 mW/cm²）条件下，器件表现出约280 pA的光电流响应，上升时间约为8 s。
• 在−1.0 V偏置下，响应度达到约70.8 A/W，光电导增益达到约57，显著优于大多数已报道的GeSn基器件。
• 器件保持高探测度（约8.4 × 10⁹ Jones），且光电流与入射光功率呈幂律依赖关系，幂指数γ ≈ 0.98，表明载流子收集效率高。