喬 靜，謝 生*，毛陸虹，叢 佳，董威鋒

(1.天津大學(xué)微電子學(xué)院 天津市成像與感知微電子技術(shù)重點實驗室，天津 300072;2.天津大學(xué) 電氣自動化與信息工程學(xué)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(shù)，具有發(fā)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(yōu)點[1]，在智能家居[2]、室內(nèi)導(dǎo)航[3]、水下通信[4]等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景，因而成為當(dāng)前無線通信領(lǐng)域的研究熱點之一。

目前，可見光通信系統(tǒng)的接收部分多采用引線鍵合或多芯片封裝技術(shù)將Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)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(xiàn)的系統(tǒng)不僅體積大、成本高，而且引入的寄生參數(shù)也不利于光接收機(jī)性能的提升。由于硅基器件的響應(yīng)波長在400～1 100 nm范圍內(nèi)，完全滿足可見光通信的波長要求，所以開發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的硅基光電探測器與單芯片接收機(jī)對VLC的推廣應(yīng)用極為關(guān)鍵。盡管目前已有PN結(jié)光電二極管[6]和雪崩光電二極管(APD)[7]在可見光通信應(yīng)用方面的報道，但這兩種探測器也存在一些問題。例如，標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中PN結(jié)光電探測器產(chǎn)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(yīng)速度[6]；APD雖然有高的響應(yīng)度和響應(yīng)速度，但高的工作電壓也影響著電子電路的穩(wěn)定性和可靠性。金屬-半導(dǎo)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(yīng)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(shù)比較低導(dǎo)致對光的吸收長度較長，使硅基MSM結(jié)構(gòu)光電探測器響應(yīng)度不高。幸運的是，亞波長金屬光柵具有異常的透射光增強(qiáng)效應(yīng)[9]和抗反射效應(yīng)[10]，利用這種效應(yīng)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(jìn)而提高光電探測器的響應(yīng)度。目前，這項技術(shù)在Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體MSM探測器的性能改善方面得到了廣泛應(yīng)用[11-14]，然而其在硅基探測器方面的應(yīng)用研究鮮有報道。

本文基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，提出了一種增強(qiáng)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(qiáng)的物理根源。在上述理論分析的基礎(chǔ)上，針對615 nm入射光波長，設(shè)計出最優(yōu)的探測器光柵結(jié)構(gòu)。

2 模型構(gòu)造

本文研究的光柵型硅基MSM光電探測器的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，圖1(b)為探測器的橫截面圖，即仿真結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中硅基底的厚度在數(shù)百微米，足以完全吸收入射光，故仿真結(jié)構(gòu)中的硅層厚度設(shè)為半無限大。另外，光柵上方和光柵槽間的介質(zhì)設(shè)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(shè)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(shè)空氣的介電常數(shù)為1，而鋁和硅的介電常數(shù)參考文獻(xiàn)[15]所給數(shù)據(jù)。本文采用硅層的歸一化吸收系數(shù)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(jié)構(gòu)是周期性亞波長金屬光柵，為減少計算時間和內(nèi)存，實際仿真僅取一個周期即可。因此，在x方向設(shè)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(dǎo)體硅的禁帶寬度值為1.12 eV，故光源波長范圍設(shè)置為350～1 000 nm，涵蓋整個可見光波段。因高速傳輸?shù)目梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)多采用RGB型白光LED(發(fā)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(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 MSM光電探測器結(jié)構(gòu)示意圖。(a)MSM光電探測器的結(jié)構(gòu)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(jié)果與分析

亞波長周期性光柵間的狹縫會產(chǎn)生較強(qiáng)的光透射和光吸收，且吸收光譜的增強(qiáng)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(jié)構(gòu)參數(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)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(shù)有非常大的影響，當(dāng)T=580 nm時歸一化吸收系數(shù)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(jié)選取該初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的仿真。

圖2 歸一化吸收系數(shù)與光柵周期的關(guān)系Fig.2 Relationship of the normalized absorption coefficient with grating period

圖3給出了歸一化吸收系數(shù)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(xiàn)匯聚增強(qiáng)，將入射光場局域在光柵周圍。與光柵周期相關(guān)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(xiàn)波矢匹配，并將入射光耦合激發(fā)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(shù)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(shù)隨光柵高度呈周期性變化。研究發(fā)現(xiàn)，該周期與光柵狹縫間形成的類F-P腔有關(guān)，且光柵厚度影響著類F-P諧振腔的長度。當(dāng)狹縫中發(fā)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(guān)系，nEff為光柵狹縫的有效折射率，與狹縫寬度w成反比。當(dāng)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(shù)隨h呈周期性變化。

圖4 歸一化吸收系數(shù)與光柵高度的關(guān)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(yīng)的狹縫電場分布圖，發(fā)生共振時，狹縫結(jié)構(gòu)能夠捕獲更多的光能量，從而使得吸收增強(qiáng)。通過FDTD仿真可尋求類F-P共振的條件，本設(shè)計中，光柵的取值為O、P、Q點時，歸一化吸收系數(shù)大于1，且光柵高度為91 nm時歸一化吸收系數(shù)可達(dá)最大(127%)。

圖5 不同光柵高度所對應(yīng)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(shè)計的另一個重要指標(biāo)為電極的占空比，它影響著光電探測器的有效探測面積。當(dāng)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(yīng)于圖4中O、P、Q、R時，狹縫寬度w對器件歸一化吸收系數(shù)的影響。由圖可見，狹縫寬度w對器件歸一化的吸收系數(shù)存在極值。光柵高度h=91 nm時，歸一化吸收系數(shù)在w=360 nm時取得極值132%，當(dāng)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(dāng)w>360 nm時，歸一化吸收系數(shù)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(xiàn)出同樣的變化趨勢。這是因為狹縫寬度調(diào)控類F-P腔的有效折射率nEff，當(dāng)光柵狹縫選取合適時，狹縫才會發(fā)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(qiáng)。從圖4和圖6中發(fā)現(xiàn)，發(fā)生類F-P腔共振時，歸一化的吸收系數(shù)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(fā)現(xiàn)，合理地調(diào)整光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以使歸一化吸收系數(shù)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(dá)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(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：T=580 nm，h=91 nm，w=360 nm。

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

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

圖7 最優(yōu)結(jié)構(gòu)下的歸一化吸收光譜Fig.7 Normalized absorption spectra under the optimal structure

4 結(jié) 論

基于成熟的硅基CMOS工藝，本文利用光柵結(jié)構(gòu)的異常透射現(xiàn)象來增強(qiáng)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(guī)律，并從理論角度分析了器件吸收增強(qiáng)的機(jī)理。針對615 nm入射光，獲得了最優(yōu)的探測器結(jié)構(gòu)：當(dāng)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(shè)計的探測器吸收系數(shù)比無光柵時的器件結(jié)構(gòu)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(yīng)極大地提高了光電探測器的響應(yīng)度，為改善可見光通信系統(tǒng)中光電探測器的響應(yīng)度提供了一種新的設(shè)計方法，對硅基光電集成芯片的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)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(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)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(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體器件和集成電路設(shè)計方面的研究。

E-mail:xie_sheng06@tju.edu.cn