Silicon (Si) has been widely used for electronic and photonic applications including light detection. However, Si has a distinct limitation for near-infrared (NIR) photodetection because of its inherent bandgap of 1.12 eV. Achieving NIR photodetection using the CMOS-compatible Si material might be advantageous in terms of cost and scalability. Schottky barrier photodetectors (SBPDs) are emerging as a strong candidate for Si-based NIR photodetection because the detectable wavelength range is not limited to the intrinsic bandgap of Si, but is governed by a Schottky barrier height between a metal and the semiconductor.
There are three important conditions that should be satisfied simultaneously to achieve a high external quantum efficiency (EQE): absorption in the metal layer should be high, the Schottky barrier should be low enough, and there should be a long mean free path (MFP) in the layer of metal. In this work, we choose copper (Cu) as the metal layer because Cu satisfies the above conditions. It is known that the Schottky barrier (Cu/n-type Si) is around 0.5 eV and the MFP is ~50 nm.
We fabricate Cu SBPDs with various Cu thicknesses (8, 12, 20, and 40 nm) and other SBPDs (20 nm) composed of various metals (Ni, Ag, Au, Pt) to compare with Cu devices. We show the EQEs of the Cu SBPDs for the NIR wavelengths from 1440 nm to 1600 nm and we find that Cu devices have a larger EQE than other metal devices. As we expected, the thinnest Cu SBPD (8 nm) shows the largest EQE with a maximum EQE of 3.38×10-3 at 1510 nm, which is almost 5 times higher than that of the 40 nm device. Furthermore, at a reverse bias of -3 V, the thinnest Cu SBPD achieves an EQE of more than 10-2 at a wavelength of 1440 nm. By employing a thin Cu layer, our patternless planar SBPDs show EQEs higher than, or comparable to, previously reported nanopatterned plasmonic SBPDs.
실리콘은 광 검출을 포함한 전자 및 광자 응용 분야에 널리 사용되어 왔다. 하지만, 실리콘은 1.12 eV의 고유한 밴드갭으로 근적외선 영역의 빛을 검출할 수 없는 한계가 있다. 실리콘 기반의 CMOS를 이용하여 근적외선 영역의 빛을 검출하는 것은 비용 및 응용성에 있어서 큰 장점을 갖고 있다. 쇼트키 광 검출기는 검출할 수 있는 파장의 범위가 실리콘의 밴드갭에 제한되지 않고 금속과 반도체 사이의 쇼트키 장벽 높이에 의해 결정되기 때문에 실리콘 기반 근적외선 검출 방법으로 떠오르고 있다.
높은 외부 양자 효율을 달성하기 위해서는 충족되어야 하는 세 가지 조건이 있다. 첫 번째는 금속층의 흡수율이 높은 것이다. 두 번째는 쇼트키 장벽이 낮아야 하는 것이다. 다른 하나는 높은 핫전자의 평균자유행로를 가지는 것이다. 본 연구에서는 구리가 위의 조건들을 만족하기 때문에 금속층으로 구리를 선택했다. 쇼트키 장벽(구리/n형 실리콘)은 약 0.5 eV이며, 평균자유행로는 ~50 nm로 알려져 있다.
다양한 두께의 구리 소자(8, 12, 20, 40 nm)를 제작하고, 구리 소자와 비교하기 위해 다양한 금속(니켈, 은, 금, 백금)으로 구성된 소자를 제작하였다. 구리 소자의 외부 양자 효율은 1440 nm에서 1600 nm까지의 근적외선 영역에서 측정하였고, 측정값이 다른 금속 소자보다 더 큰 외부 양자 효율을 보이는 것을 확인했다. 또한, 가장 얇은 구리 소자(8 nm)는 1510 nm에서 최대 외부 양자 효율이 3.38×10-3 으로 측정되었다. 또한, -3 V 역전압에서, 가장 얇은 구리 소자는 1440 nm에서 10-2 이상의 외부 양자 효율을 달성하였다. 얇은 구리층을 이용함으로써 우리의 패턴 없는 평면 소자는 이전에 보고된 나노 패턴 플라즈몬 소자보다 높거나 비슷한 외부 양자 효율을 보여준다.
