Development of the silicon CMOS fabrication technology allows realizing the optical or optic-electric hybrid systems on chip scale. Silicon photonics gets much attention because the integration of optical systems can be achieved with low fabrication costs using silicon CMOS fabrication process. Silicon (Si) is transparent at the near infrared (NIR) wavelength regime where the photon energy is lower than its bandgap energy of ~1.1 eV. The optical transparency of Si at the NIR range facilitates light confinement and wave-guiding with little absorption losses, but this property also makes direct electron-hole pair generation through the NIR light difficult. For this reason, heterogeneous integration with other semiconductor materials, such as germanium, has been envisioned to detect the NIR light in the silicon photonics platforms. Although this approach provides a way towards efficient NIR photo-detection, epitaxial growth of germanium on silicon might require complex processing steps, and there have been growing interests in demonstrating purely Si-based sub-bandgap photo-detectors. One way to develop such Si-based PDs at the NIR wavelengths is to form deep-level defects in the Si lattice by dopant implantation with special post-annealing processes. Alternative ways without relying on the extrinsic defects are to use internal absorption processes, such as two-photon absorption, impurity-assisted Franz-Keldysh absorption effects, and internal photo-emission (IPE).
In this paper, I propose a design strategy to realize a compact and broadband, Schottky PD consisting of a chain of sub-micrometer-scale metal nanobricks integrated on a typical silicon ridge waveguide. A spatial gradient of polarizabilities from the tapered array of metal nanobricks provides a highly efficient photonic-plasmonic coupling mechanism as well as slow light effects for nearly perfect absorption with little reflection. Strong light confinement and absorption near the MS interface can efficiently generate photocurrents over the wide range of input frequencies. According to our simulation, the maximum absorptivity and the responsivity are 95% and 0.125 A/W, respectively, with a total device length of only 830 nm at an input wavelength of ~1550 nm under the applied reverse bias voltage of -3 V. Furthermore, the extremely small device footprint allows a high operation bandwidth of >40 GHz with a small dark current level of <10 nA. Our design strategy suggests that it is possible to achieve high responsivities and low dark current levels by taking advantages of the perfect absorption principle.
실리콘 기반의 반도체 CMOS 공정기술이 발달함에 따라 이를 이용하여 다양한 광학 혹은 광학-전자 시스템을 칩 스케일로 구현하는 실리콘 포토닉스 기술이 활발하게 연구되고 있다. 특히 기존의 성숙된 실리콘 CMOS 공정을 이용하여 저비용으로 소자를 제작할 수 있다는 점에서 주목을 받고 있다. 실리콘은 광통신에서 사용되는 근적외선 파장에서는 투명성을 보이며, 이러한 특성은 실리콘 내부에서 광 신호로 인한 광 전류를 생성을 어렵게 만든다. 이러한 이유로 실리콘 포토닉스 플랫폼 상에 광 검출 소자를 구현하기 위하여 게르마늄과 같은 다른 반도체 물질을 이용하는 연구가 수행되었다. 하지만 이러한 다른 반도체 물질을 이용한 광 검출기는 추가적인 이종접합 기술이 요구되기 때문에 최근에는 순수 실리콘만을 이용한 광 검출기에 관한 연구가 활발히 진행 중이다.
실리콘에서 광 전류를 만들어내기 위해서 다양한 방법들이 연구되었다. 이온 주입을 이용하여 실리콘 격자 내부에 결함에 의한 에너지 준위를 형성해 근적외선 광자를 검출하는 방식이나 이광자흡수(Two photon absorption), Franz-Keldysh 효과 그리고 내부 광 방출(Internal photoemission)과 같은 내부적인 기재를 이용하는 방식을 통해 순수 실리콘 기반의 근적외선 광 검출기들이 구현되었다.
본 연구에서는 P형 실리콘 광 도파관 구조에 나노 사이즈의 금속 블록 주기구조를 집적화한 형태의 쇼트키 접합 광 검출기 구조를 이론적으로 제안한다. 6개의 금속 사각형 나노 블록으로 구성된 테이퍼드 형태의 금속 주기 배열에서 발생하는 분극율(Polaizability)의 공간 구배는 매우 효율적인 광자-플라즈몬 결합과 공진현상을 유발한다. 이런 현상을 통해 1550nm 파장의 광 신호가 입사되었을 때 830nm의 소자 길이에서 각각 95%와 0.125A/W의 높은 광 흡수율과 광 검출효율을 가짐을 유한 차분 시간 영역법 (Finite difference time domain)을 통하여 확인하였으며, 동시에 공진 구조를 이용하여 0.083μm^2 의 매우 작은 접촉 면적만으로도 높은 흡수율이 달성 가능함에 따라 매우 작은 암전류(4.64nA) 특성을 가짐을 확인하였다. 이러한 저전력 동작이 가능한 초소형 실리콘 근적외선 광 검출기 설계방식은 다양한 광학 집적 회로에 응용 가능할 것으로 보인다.
