吸收增強的光柵型金屬-半導體-金屬光電探測器的優化設計

喬 靜，謝 生*，毛陸虹，叢 佳，董威鋒

(1.天津大學微電子學院 天津市成像與感知微電子技術重點實驗室，天津 300072;2.天津大學 電氣自動化與信息工程學院，天津 300072)

1 引 言

可見光通信(Visible light communication,VLC)是一種集照明與通信于一體的新興無線通信技術，具有發射功率高、無電磁干擾、無需申請頻譜資源和信息保密性高等優點[1]，在智能家居[2]、室內導航[3]、水下通信[4]等領域具有重要的應用前景，因而成為當前無線通信領域的研究熱點之一。

目前，可見光通信系統的接收部分多采用引線鍵合或多芯片封裝技術將Ⅲ-Ⅴ族半導體光電探測器與硅基CMOS電路混合集成在一起[5]，但這種方法實現的系統不僅體積大、成本高，而且引入的寄生參數也不利于光接收機性能的提升。由于硅基器件的響應波長在400～1 100 nm范圍內，完全滿足可見光通信的波長要求，所以開發與標準CMOS工藝兼容的硅基光電探測器與單芯片接收機對VLC的推廣應用極為關鍵。盡管目前已有PN結光電二極管[6]和雪崩光電二極管(APD)[7]在可見光通信應用方面的報道，但這兩種探測器也存在一些問題。例如，標準CMOS工藝中PN結光電探測器產生的光生載流子多集中在襯底深處，因而限制了探測器的響應速度[6]；APD雖然有高的響應度和響應速度，但高的工作電壓也影響著電子電路的穩定性和可靠性。金屬-半導體-金屬(MSM)探測器作為一種表面光電器件，不僅工藝簡單，而且具有高的響應速度[8]，非常適合與CMOS電子電路單片集成。由于硅是間接帶隙材料，對光的吸收系數比較低導致對光的吸收長度較長，使硅基MSM結構光電探測器響應度不高。幸運的是，亞波長金屬光柵具有異常的透射光增強效應[9]和抗反射效應[10]，利用這種效應可以減少光電探測器對入射光的反射，將光場局域在吸收層表面，進而提高光電探測器的響應度。目前，這項技術在Ⅲ-Ⅴ族半導體MSM探測器的性能改善方面得到了廣泛應用[11-14]，然而其在硅基探測器方面的應用研究鮮有報道。

本文基于標準CMOS工藝，提出了一種增強光柵型硅基MSM光電探測器的方法。利用時域有限差分(Finite difference time domain,FDTD)方法，重點分析了光柵周期、光柵高度和狹縫寬度對吸收性能的影響，證明了光柵狹縫間的類法布里-珀羅(F-P)腔和光柵頂角的表面等離子體激元(Surface plasmon polarization,SPP)是吸收增強的物理根源。在上述理論分析的基礎上，針對615 nm入射光波長，設計出最優的探測器光柵結構。

2 模型構造

本文研究的光柵型硅基MSM光電探測器的結構如圖1(a)所示，圖1(b)為探測器的橫截面圖，即仿真結構圖。采用CMOS工藝中的互連金屬鋁作為光柵電極，其在可見光波段具有較小的穿透深度和歐姆損耗。由于標準CMOS工藝中硅基底的厚度在數百微米，足以完全吸收入射光，故仿真結構中的硅層厚度設為半無限大。另外，光柵上方和光柵槽間的介質設為空氣。圖中T表示光柵周期，h表示光柵高度，d表示光柵寬度，w表示光柵間的狹縫寬度。假設沿z方向傳播的TM偏振平面波(其電場分量Ex垂直于光柵)從空氣界面垂直入射。在下面的仿真過程中，設空氣的介電常數為1，而鋁和硅的介電常數參考文獻[15]所給數據。本文采用硅層的歸一化吸收系數評價亞波長金屬光柵對探測器吸收性能的影響，其定義為有/無光柵時硅層的吸收能量之比，即ANorm=Pwith/Pwithout。

由于仿真結構是周期性亞波長金屬光柵，為減少計算時間和內存，實際仿真僅取一個周期即可。因此，在x方向設置為周期性邊界條件，z方向為完全吸收(Perfectly matched layers,PML)邊界條件。由于半導體硅的禁帶寬度值為1.12 eV，故光源波長范圍設置為350～1 000 nm，涵蓋整個可見光波段。因高速傳輸的可見光通信系統多采用RGB型白光LED(發光波長在615，546，465 nm附近)，故本文重點對615 nm的紅光探測器的結構進行優化。

圖1 MSM光電探測器結構示意圖。(a)MSM光電探測器的結構示意圖；(b)MSM光電探測器的橫截面圖。
Fig.1 Schematic of MSM photodetector.(a)Schematic illustration of MSM PD.(b) Cross-section of the MSM-PD.

3 仿真結果與分析

亞波長周期性光柵間的狹縫會產生較強的光透射和光吸收，且吸收光譜的增強峰由光柵的周期和高度決定，而線寬則由光柵間的狹縫寬度決定[16-17]。因此，在討論MSM-PD光柵結構參數對有源層吸收性能的影響時，先考慮光柵周期和光柵高度對歸一化吸收系數的影響，再考慮狹縫寬度對于器件性能的影響。

3.1 光柵周期的影響

初始結構設定為d=200 nm，h=100 nm，T的變化范圍為210～1 000 nm。圖2給出了入射光波長λ=615 nm時，硅層歸一化吸收系數隨光柵周期的變化情況。由圖可見，光柵周期對硅層的歸一化吸收系數有非常大的影響，當T=580 nm時歸一化吸收系數為120%，硅層對入射光的吸收比沒有金屬光柵時提高了20%，下節選取該初始結構進行進一步的仿真。

圖2 歸一化吸收系數與光柵周期的關系Fig.2 Relationship of the normalized absorption coefficient with grating period

圖3給出了歸一化吸收系數最大時光柵周圍的電場分布圖。由圖可知，電場在金屬-空氣的交界面處出現匯聚增強，將入射光場局域在光柵周圍。與光柵周期相關的是表面等離子體激元，通常情況下，SPP的波矢kSPP大于入射光的波矢k0，二者波矢不匹配，故通常采用一維金屬光柵來實現波矢匹配，并將入射光耦合激發SPP。光柵匹配方程如下[18]：

(1)

圖3 T=580 nm時光柵周圍的電場分布圖Fig.3 Distribution of the electric field when T=580 nm

3.2 光柵高度的影響

圖4所示為T=580 nm時光柵高度h對器件歸一化吸收系數的影響。其中，h的變化范圍為0～1 000 nm。由圖中可見，器件的歸一化吸收系數隨光柵高度呈周期性變化。研究發現，該周期與光柵狹縫間形成的類F-P腔有關，且光柵厚度影響著類F-P諧振腔的長度。當狹縫中發生類F-P共振時，入射光波長與光柵高度h滿足[19]

h=jλg/2=jλ0/2nEff(j=1,2,3…),

(2)

其中，λ0為入射光波長，λg=λ0/nEff為駐波波長，與入射光呈線性變化關系，nEff為光柵狹縫的有效折射率，與狹縫寬度w成反比。當入射光波長和狹縫寬度為定值時，滿足類F-P共振的光柵高度具有周期性，故歸一化吸收系數隨h呈周期性變化。

圖4 歸一化吸收系數與光柵高度的關系Fig.4 Relationship of the normalized absorption coefficient with grating height

圖5給出了圖4中P、Q、S、R點所對應的狹縫電場分布圖，發生共振時，狹縫結構能夠捕獲更多的光能量，從而使得吸收增強。通過FDTD仿真可尋求類F-P共振的條件，本設計中，光柵的取值為O、P、Q點時，歸一化吸收系數大于1，且光柵高度為91 nm時歸一化吸收系數可達最大(127%)。

圖5 不同光柵高度所對應的狹縫電場分布Fig.5 Distribution of the electric field in the silt with different grating height

3.3 狹縫寬度的影響

MSM器件設計的另一個重要指標為電極的占空比，它影響著光電探測器的有效探測面積。當光柵周期和光柵高度確定后，光柵占空比對MSM器件性能的影響就僅剩狹縫寬度。

圖6給出T=580 nm、光柵高度對應于圖4中O、P、Q、R時，狹縫寬度w對器件歸一化吸收系數的影響。由圖可見，狹縫寬度w對器件歸一化的吸收系數存在極值。光柵高度h=91 nm時，歸一化吸收系數在w=360 nm時取得極值132%，當w<360 nm時，歸一化吸收隨著狹縫寬度的增加呈上升趨勢；而當w>360 nm時，歸一化吸收系數隨有效感光面積的增加而下降。在光柵高度為其他值時，也呈現出同樣的變化趨勢。這是因為狹縫寬度調控類F-P腔的有效折射率nEff，當光柵狹縫選取合適時，狹縫才會發生類F-P共振，對光的局域作用更明顯，故硅吸收層捕獲更多的能量，從而使得吸收增強。從圖4和圖6中發現，發生類F-P腔共振時，歸一化的吸收系數隨光柵高度的增加而減小，這是由于隨著光柵高度的增加，金屬對光的吸收也在增加。

通過以上對光柵周期、光柵高度和狹縫寬度的研究發現，合理地調整光柵結構參數，可以使歸一化吸收系數大于1，即光柵的存在使硅層的吸收大于沒有光柵時硅層的吸收。雖然金屬光柵的存在阻擋了部分光到達硅表面，但類F-P共振和SPP將入射光局域在光柵周圍，減少了入射光的反射，總體上增加了入射到硅表面的光功率。對于615 nm入射光而言，光柵型MSM-PD的最優結構參數為：T=580 nm，h=91 nm，w=360 nm。

圖6 歸一化吸收系數與光柵狹縫寬度的關系Fig.6 Relationship of the normalized absorption coefficient with grating slit width

為說明優化結構對615 nm紅光的探測效果，圖7給出了最優結構下的歸一化吸收光譜。從圖中可以看出，優化結構對藍光(465 nm)和綠光(546 nm)的歸一化吸收系數分別為52%和37%，即光柵的存在削弱了探測器對藍光和綠光的靈敏度。同理，通過器件結構的優化也可以獲得對綠光和藍光靈敏的MSM光電探測器。

圖7 最優結構下的歸一化吸收光譜Fig.7 Normalized absorption spectra under the optimal structure

4 結 論

基于成熟的硅基CMOS工藝，本文利用光柵結構的異常透射現象來增強硅基MSM-PD的吸收。采用時域有限差分法，重點分析了光柵周期、光柵高度和狹縫寬度對器件性能的影響規律，并從理論角度分析了器件吸收增強的機理。針對615 nm入射光，獲得了最優的探測器結構：當光柵周期T=580 nm、光柵高度h=91 nm、狹縫寬度w=360 nm時，本文設計的探測器吸收系數比無光柵時的器件結構提高了32%。由此可見，亞波長光柵引入的類F-P共振和表面等離子體激元效應極大地提高了光電探測器的響應度，為改善可見光通信系統中光電探測器的響應度提供了一種新的設計方法，對硅基光電集成芯片的設計具有一定的指導意義。

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喬靜(1993-)，女，山西長治人，碩士研究生，2015年于天津工業大學獲得學士學位，主要從事光電探測器的研究。

Email:jq2015@tju.edu.cn

謝生(1978-)，男，河北張家口人，博士，副教授，2006年于廈門大學獲得博士學位，主要從事半導體器件和集成電路設計方面的研究。

E-mail:xie_sheng06@tju.edu.cn