吸收增强的光栅型金属-半导体-金属光电探测器的优化设计

乔 静，谢 生*，毛陆虹，丛 佳，董威锋

(1.天津大学微电子学院 天津市成像与感知微电子技术重点实验室，天津 300072;2.天津大学 电气自动化与信息工程学院，天津 300072)

1 引 言

可见光通信(Visible light communication,VLC)是一种集照明与通信于一体的新兴无线通信技术，具有发射功率高、无电磁干扰、无需申请频谱资源和信息保密性高等优点[1]，在智能家居[2]、室内导航[3]、水下通信[4]等领域具有重要的应用前景，因而成为当前无线通信领域的研究热点之一。

目前，可见光通信系统的接收部分多采用引线键合或多芯片封装技术将Ⅲ-Ⅴ族半导体光电探测器与硅基CMOS电路混合集成在一起[5]，但这种方法实现的系统不仅体积大、成本高，而且引入的寄生参数也不利于光接收机性能的提升。由于硅基器件的响应波长在400～1 100 nm范围内，完全满足可见光通信的波长要求，所以开发与标准CMOS工艺兼容的硅基光电探测器与单芯片接收机对VLC的推广应用极为关键。尽管目前已有PN结光电二极管[6]和雪崩光电二极管(APD)[7]在可见光通信应用方面的报道，但这两种探测器也存在一些问题。例如，标准CMOS工艺中PN结光电探测器产生的光生载流子多集中在衬底深处，因而限制了探测器的响应速度[6]；APD虽然有高的响应度和响应速度，但高的工作电压也影响着电子电路的稳定性和可靠性。金属-半导体-金属(MSM)探测器作为一种表面光电器件，不仅工艺简单，而且具有高的响应速度[8]，非常适合与CMOS电子电路单片集成。由于硅是间接带隙材料，对光的吸收系数比较低导致对光的吸收长度较长，使硅基MSM结构光电探测器响应度不高。幸运的是，亚波长金属光栅具有异常的透射光增强效应[9]和抗反射效应[10]，利用这种效应可以减少光电探测器对入射光的反射，将光场局域在吸收层表面，进而提高光电探测器的响应度。目前，这项技术在Ⅲ-Ⅴ族半导体MSM探测器的性能改善方面得到了广泛应用[11-14]，然而其在硅基探测器方面的应用研究鲜有报道。

本文基于标准CMOS工艺，提出了一种增强光栅型硅基MSM光电探测器的方法。利用时域有限差分(Finite difference time domain,FDTD)方法，重点分析了光栅周期、光栅高度和狭缝宽度对吸收性能的影响，证明了光栅狭缝间的类法布里-珀罗(F-P)腔和光栅顶角的表面等离子体激元(Surface plasmon polarization,SPP)是吸收增强的物理根源。在上述理论分析的基础上，针对615 nm入射光波长，设计出最优的探测器光栅结构。

2 模型构造

本文研究的光栅型硅基MSM光电探测器的结构如图1(a)所示，图1(b)为探测器的横截面图，即仿真结构图。采用CMOS工艺中的互连金属铝作为光栅电极，其在可见光波段具有较小的穿透深度和欧姆损耗。由于标准CMOS工艺中硅基底的厚度在数百微米，足以完全吸收入射光，故仿真结构中的硅层厚度设为半无限大。另外，光栅上方和光栅槽间的介质设为空气。图中T表示光栅周期，h表示光栅高度，d表示光栅宽度，w表示光栅间的狭缝宽度。假设沿z方向传播的TM偏振平面波(其电场分量Ex垂直于光栅)从空气界面垂直入射。在下面的仿真过程中，设空气的介电常数为1，而铝和硅的介电常数参考文献[15]所给数据。本文采用硅层的归一化吸收系数评价亚波长金属光栅对探测器吸收性能的影响，其定义为有/无光栅时硅层的吸收能量之比，即ANorm=Pwith/Pwithout。

由于仿真结构是周期性亚波长金属光栅，为减少计算时间和内存，实际仿真仅取一个周期即可。因此，在x方向设置为周期性边界条件，z方向为完全吸收(Perfectly matched layers,PML)边界条件。由于半导体硅的禁带宽度值为1.12 eV，故光源波长范围设置为350～1 000 nm，涵盖整个可见光波段。因高速传输的可见光通信系统多采用RGB型白光LED(发光波长在615，546，465 nm附近)，故本文重点对615 nm的红光探测器的结构进行优化。

图1 MSM光电探测器结构示意图。(a)MSM光电探测器的结构示意图；(b)MSM光电探测器的横截面图。
Fig.1 Schematic of MSM photodetector.(a)Schematic illustration of MSM PD.(b) Cross-section of the MSM-PD.

3 仿真结果与分析

亚波长周期性光栅间的狭缝会产生较强的光透射和光吸收，且吸收光谱的增强峰由光栅的周期和高度决定，而线宽则由光栅间的狭缝宽度决定[16-17]。因此，在讨论MSM-PD光栅结构参数对有源层吸收性能的影响时，先考虑光栅周期和光栅高度对归一化吸收系数的影响，再考虑狭缝宽度对于器件性能的影响。

3.1 光栅周期的影响

初始结构设定为d=200 nm，h=100 nm，T的变化范围为210～1 000 nm。图2给出了入射光波长λ=615 nm时，硅层归一化吸收系数随光栅周期的变化情况。由图可见，光栅周期对硅层的归一化吸收系数有非常大的影响，当T=580 nm时归一化吸收系数为120%，硅层对入射光的吸收比没有金属光栅时提高了20%，下节选取该初始结构进行进一步的仿真。

图2 归一化吸收系数与光栅周期的关系Fig.2 Relationship of the normalized absorption coefficient with grating period

图3给出了归一化吸收系数最大时光栅周围的电场分布图。由图可知，电场在金属-空气的交界面处出现汇聚增强，将入射光场局域在光栅周围。与光栅周期相关的是表面等离子体激元，通常情况下，SPP的波矢kSPP大于入射光的波矢k0，二者波矢不匹配，故通常采用一维金属光栅来实现波矢匹配，并将入射光耦合激发SPP。光栅匹配方程如下[18]：

(1)

图3 T=580 nm时光栅周围的电场分布图Fig.3 Distribution of the electric field when T=580 nm

3.2 光栅高度的影响

图4所示为T=580 nm时光栅高度h对器件归一化吸收系数的影响。其中，h的变化范围为0～1 000 nm。由图中可见，器件的归一化吸收系数随光栅高度呈周期性变化。研究发现，该周期与光栅狭缝间形成的类F-P腔有关，且光栅厚度影响着类F-P谐振腔的长度。当狭缝中发生类F-P共振时，入射光波长与光栅高度h满足[19]

h=jλg/2=jλ0/2nEff(j=1,2,3…),

(2)

其中，λ0为入射光波长，λg=λ0/nEff为驻波波长，与入射光呈线性变化关系，nEff为光栅狭缝的有效折射率，与狭缝宽度w成反比。当入射光波长和狭缝宽度为定值时，满足类F-P共振的光栅高度具有周期性，故归一化吸收系数随h呈周期性变化。

图4 归一化吸收系数与光栅高度的关系Fig.4 Relationship of the normalized absorption coefficient with grating height

图5给出了图4中P、Q、S、R点所对应的狭缝电场分布图，发生共振时，狭缝结构能够捕获更多的光能量，从而使得吸收增强。通过FDTD仿真可寻求类F-P共振的条件，本设计中，光栅的取值为O、P、Q点时，归一化吸收系数大于1，且光栅高度为91 nm时归一化吸收系数可达最大(127%)。

图5 不同光栅高度所对应的狭缝电场分布Fig.5 Distribution of the electric field in the silt with different grating height

3.3 狭缝宽度的影响

MSM器件设计的另一个重要指标为电极的占空比，它影响着光电探测器的有效探测面积。当光栅周期和光栅高度确定后，光栅占空比对MSM器件性能的影响就仅剩狭缝宽度。

图6给出T=580 nm、光栅高度对应于图4中O、P、Q、R时，狭缝宽度w对器件归一化吸收系数的影响。由图可见，狭缝宽度w对器件归一化的吸收系数存在极值。光栅高度h=91 nm时，归一化吸收系数在w=360 nm时取得极值132%，当w<360 nm时，归一化吸收随着狭缝宽度的增加呈上升趋势；而当w>360 nm时，归一化吸收系数随有效感光面积的增加而下降。在光栅高度为其他值时，也呈现出同样的变化趋势。这是因为狭缝宽度调控类F-P腔的有效折射率nEff，当光栅狭缝选取合适时，狭缝才会发生类F-P共振，对光的局域作用更明显，故硅吸收层捕获更多的能量，从而使得吸收增强。从图4和图6中发现，发生类F-P腔共振时，归一化的吸收系数随光栅高度的增加而减小，这是由于随着光栅高度的增加，金属对光的吸收也在增加。

通过以上对光栅周期、光栅高度和狭缝宽度的研究发现，合理地调整光栅结构参数，可以使归一化吸收系数大于1，即光栅的存在使硅层的吸收大于没有光栅时硅层的吸收。虽然金属光栅的存在阻挡了部分光到达硅表面，但类F-P共振和SPP将入射光局域在光栅周围，减少了入射光的反射，总体上增加了入射到硅表面的光功率。对于615 nm入射光而言，光栅型MSM-PD的最优结构参数为：T=580 nm，h=91 nm，w=360 nm。

图6 归一化吸收系数与光栅狭缝宽度的关系Fig.6 Relationship of the normalized absorption coefficient with grating slit width

为说明优化结构对615 nm红光的探测效果，图7给出了最优结构下的归一化吸收光谱。从图中可以看出，优化结构对蓝光(465 nm)和绿光(546 nm)的归一化吸收系数分别为52%和37%，即光栅的存在削弱了探测器对蓝光和绿光的灵敏度。同理，通过器件结构的优化也可以获得对绿光和蓝光灵敏的MSM光电探测器。

图7 最优结构下的归一化吸收光谱Fig.7 Normalized absorption spectra under the optimal structure

4 结 论

基于成熟的硅基CMOS工艺，本文利用光栅结构的异常透射现象来增强硅基MSM-PD的吸收。采用时域有限差分法，重点分析了光栅周期、光栅高度和狭缝宽度对器件性能的影响规律，并从理论角度分析了器件吸收增强的机理。针对615 nm入射光，获得了最优的探测器结构：当光栅周期T=580 nm、光栅高度h=91 nm、狭缝宽度w=360 nm时，本文设计的探测器吸收系数比无光栅时的器件结构提高了32%。由此可见，亚波长光栅引入的类F-P共振和表面等离子体激元效应极大地提高了光电探测器的响应度，为改善可见光通信系统中光电探测器的响应度提供了一种新的设计方法，对硅基光电集成芯片的设计具有一定的指导意义。

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乔静(1993-)，女，山西长治人，硕士研究生，2015年于天津工业大学获得学士学位，主要从事光电探测器的研究。

Email:jq2015@tju.edu.cn

谢生(1978-)，男，河北张家口人，博士，副教授，2006年于厦门大学获得博士学位，主要从事半导体器件和集成电路设计方面的研究。

E-mail:xie_sheng06@tju.edu.cn