[论文解读] Model for quantum efficiency of guided mode plasmonic enhanced silicon Schottky detectors

Ilya Goykhman, Boris Desiatov+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2014

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 7被引用 10

一句话总结

本文提出了一种理论模型，用于预测导模等离子体增强型硅肖特基光电探测器的量子效率（QE），通过表面等离子体极化激元提升亚带隙光子的吸收。该模型经仿真与实验验证，识别出可显著提升QE的关键设计参数，超越传统肖特基探测器，为硅光子学平台中等离子体纳米结构的优化提供了路线图。

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.

研究动机与目标

• 解决基于硅肖特基结构内光电发射的亚带隙光电探测器量子效率低下的问题。
• 为导模等离子体增强型硅肖特基光电探测器的量子效率开发一种可预测的理论模型。
• 通过等离子体场增强识别最大化量子效率的设计参数。
• 利用数值仿真和文献中的实验数据验证该模型。
• 提出进一步提升硅等离子体光电探测器量子效率的策略。

提出的方法

• 该模型基于内光电发射机制，其中能量低于硅带隙的光子通过等离子体近场增强激发电子。
• 结合了沿金属-绝缘体-硅结构传播的表面等离子体极化激元（SPPs）导模，以增强光与物质的相互作用。
• 通过有限元时域（FDTD）电磁仿真与基于Fowler模型的内光电发射量子效率公式相结合，计算理论QE。
• 该模型考虑了等离子体场增强、吸收效率以及肖特基结处的电子收集概率。
• 在具有周期性光栅的Ti/SiO2/Si肖特基结构上进行仿真，以激发SPPs，并将结果与实验QE测量值进行比较。
• 通过改变光栅周期、金属层厚度和介质层厚度，对结构进行优化以最大化QE。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过导模SPP实现的等离子体场增强如何影响亚带隙硅肖特基光电探测器的量子效率？
• RQ2 在等离子体增强型肖特基探测器中，限制QE的主要物理机制是什么？
• RQ3 该理论模型在不同结构参数下对实验QE值的预测能力如何？
• RQ4 哪些几何与材料参数对该平台的QE影响最为显著？
• RQ5 可采用哪些设计策略进一步提升量子效率，超越当前实验值？

主要发现

• 理论模型预测的实验量子效率值在两倍以内，验证了其物理一致性。
• 通过导模SPP实现的等离子体增强显著提升了亚带隙光子的有效吸收截面，从而实现可检测的光电流。
• 当光栅周期接近SPP波长且钛层厚度约为20 nm时，可实现最优QE增强。
• 该模型表明，肖特基结处的电子收集效率是主要瓶颈，限制了最大可实现的QE。
• 仿真结果表明，在最优等离子体设计下，QE可比传统肖特基探测器提升达3倍。
• 研究表明，介质盖层厚度对电场分布具有关键影响，必须进行优化以平衡吸收与场增强效果。