基于納米金屬陣列天線的石墨烯/硅近紅外探測(cè)器*

張逸飛 劉媛 梅家棟 王軍轉(zhuǎn) 王肖沐 施毅

(南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210046)

金屬納米顆粒低聚體不僅具有等離激元共振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)亞波長(zhǎng)范圍內(nèi)的局域化和增強(qiáng),還可以通過泄漏光場(chǎng)相互干涉實(shí)現(xiàn)法諾共振和連續(xù)態(tài)中的束縛態(tài),從而使得電磁場(chǎng)更強(qiáng)的局域和增強(qiáng).本文采用金納米低聚體超構(gòu)表面作為石墨烯/硅近紅外探測(cè)器的天線,實(shí)現(xiàn)了光響應(yīng)度2 倍的增強(qiáng);通過調(diào)節(jié)納米金屬低聚體間夾角,發(fā)現(xiàn)當(dāng)該夾角為40°時(shí),光電流達(dá)到最大值,對(duì)應(yīng)法諾共振最大的透射率,此時(shí)天線不僅匯聚光場(chǎng)能量還定向發(fā)射給探測(cè)器;當(dāng)該夾角為20°時(shí),光電流出現(xiàn)一個(gè)低谷,此時(shí)能量局域于低聚體內(nèi),金屬損耗減弱了等離激元增強(qiáng)效果.該工作通過時(shí)域有限差分法仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合研究了低聚體超構(gòu)表面光電耦合效率的動(dòng)態(tài)過程,為提高光電探測(cè)效率提供了一種重要的途徑.

1 引言

超構(gòu)表面是一種采用金屬或者介質(zhì)材料在平面上制備出亞波長(zhǎng)尺度的人工納米天線實(shí)現(xiàn)對(duì)光的強(qiáng)度、相位和偏振等參量進(jìn)行調(diào)控的一種新型光學(xué)元件[1–4].其出現(xiàn)了諸如等離激元共振[5]、法諾共振(Fano resonance)[6–8]、連續(xù)域束縛態(tài)[9–11](bound state in continuum,BIC)等效應(yīng),極大地增強(qiáng)了光的局域化和光譜多維度分析能力,這些效應(yīng)在探測(cè)器、激光器、成像和生物傳感等領(lǐng)域有重要應(yīng)用并取得了長(zhǎng)足進(jìn)展,促進(jìn)了儀器微型化和光電芯片集成化進(jìn)程[12].根據(jù)Drude 模型,納米結(jié)構(gòu)與光的相互作用允許一些光子被吸收,一些被散射,這種局域表面等離激元諧振會(huì)使納米顆粒具有很高的吸收摩爾消光系數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米顆粒的熱能,與此同時(shí),瑞利散射得到大大增強(qiáng),尤其是達(dá)到等離激元共振時(shí),散射截面增大幾個(gè)數(shù)量級(jí),因此提高天線散射到探測(cè)介質(zhì)的效率,盡量減少熱損耗,可以大大提高探測(cè)效率[13].

近些年,成像技術(shù)的隨著微加工技術(shù)進(jìn)步不斷在高像素、寬光譜多維度方向發(fā)展[14–16].在這種趨勢(shì)下,近紅外光譜的重要作用在一些領(lǐng)域中日益彰顯,在通信以及非可見光波段的應(yīng)用場(chǎng)景越來越多[17,18].由于硅基 CMOS 的工藝非常成熟,在850 nm 工作波段的光纖通信探測(cè)和近紅外圖像傳感器,常使用硅作為感光材料,與可見光相比,硅對(duì)近紅外的吸收系數(shù)較低.因此,為實(shí)現(xiàn)充分的光電轉(zhuǎn)換,近紅外需要更厚的硅,以增大近紅外與硅的作用距離,提高光電轉(zhuǎn)換的效果.但是,硅厚度的增大會(huì)加劇像素間串?dāng)_問題,大大降低成像質(zhì)量.為解決這一問題,業(yè)內(nèi)多采取制作像素間隔離槽的方式來抑制串?dāng)_.但是高質(zhì)量隔離槽的制造工藝具有挑戰(zhàn)性[19].另外,在大功率近紅外補(bǔ)光燈的照射下,隔離槽的抑制作用并不理想.所以本文采用1 μm 厚度的硅(silicon on insulator,SOI)作為襯底,制備石墨烯/硅肖特基結(jié)的探測(cè)器,在感光硅上制備人工光學(xué)微納結(jié)構(gòu),利用其局域表面等離激元效應(yīng)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)硅基的光吸收.這里使用石墨烯/硅的結(jié)構(gòu),主要由于石墨烯厚度在原子層量級(jí),光生載流子容易被肖特基結(jié)區(qū)分離和收集,提高器件響應(yīng)速率.我們知道當(dāng)納米顆粒相互靠近,偶極子相互耦合,光場(chǎng)相互干涉時(shí),形成法諾共振進(jìn)而出現(xiàn)(bound state in continuum,BIC)現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)對(duì)更窄頻率范圍內(nèi)能量局域,尤其是像低聚體(如dimer,hexamer,septamer,······),多個(gè)納米結(jié)構(gòu)之間相互作用雜化產(chǎn)生多個(gè)等離激元振蕩模式和耦合[6,20,21],出現(xiàn)了電磁場(chǎng)誘導(dǎo)透射增強(qiáng)現(xiàn)象[22],可以將更多的能量傳遞給顆粒下層的探測(cè)工作物質(zhì),從而增強(qiáng)探測(cè)性能.

基于前期工作結(jié)果[23]可知,邊長(zhǎng)為250 nm,厚度為50 nm 的正方形金顆粒對(duì)于器件在850 nm探測(cè)光增強(qiáng)效果最明顯.因此本文采用的納米結(jié)構(gòu)低聚體是由4 個(gè)邊長(zhǎng)為250 nm,厚度為50 nm 的正方形金顆粒組成,兩個(gè)方塊一組相隔40 nm 兩組之間構(gòu)成一個(gè)夾角θ,這樣的低聚體陣列作為石墨烯/硅近紅外探測(cè)器的天線,設(shè)計(jì)夾角θ 從0°到90°變化,周期分別為1.75 和1.2 μm.通過光電流掃描,發(fā)現(xiàn)有納米顆粒區(qū)域光響應(yīng)度實(shí)現(xiàn)2 倍以上的增強(qiáng);通過調(diào)節(jié)該夾角,發(fā)現(xiàn)當(dāng)θ 為40°時(shí),光電流達(dá)到最大值,通過 Lumerical 時(shí)域有限差分法(finite-difference time-domain,FDTD)仿真發(fā)現(xiàn)此時(shí)對(duì)應(yīng)法諾共振最大的透射率;當(dāng)θ 為20°時(shí),光電流出現(xiàn)一個(gè)低谷,仿真結(jié)果表明此時(shí)金屬熱損耗最大,能量局域于低聚體內(nèi),金屬損耗減弱了等離激元增強(qiáng)效果.該工作通過仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合研究了該超構(gòu)表面光電耦合效率的動(dòng)態(tài)過程,為提高光電探測(cè)效率提供了一種重要的途徑.

2 器件和納米結(jié)構(gòu)制備

本文器件制備流程如圖1 所示,選用厚度為1 μm的n 型輕摻雜(摻雜原子濃度約3×1016cm–3) SOI作為襯底,通過光刻圖形化(photolithography)和反應(yīng)耦合等離子體(inductive coupled plasma,ICP)刻蝕技術(shù)制備出200 μm × 200 μm 的硅島,如圖1(a)所示.再通過光刻圖形化和電子束蒸發(fā)技術(shù)(electron beam evaporation,EBE)在硅島上做好一對(duì)電極(5 nm Ti/45 nm Au),如圖1(b)所示,其中一個(gè)電極和硅島接觸,另一個(gè)電極在絕緣層襯底上與后續(xù)轉(zhuǎn)移的石墨烯相接觸.接下來通過電子束曝光的方式(electron beam lithography,EBL)圖形天線納米顆粒并采用EBE 蒸金屬5 nm Ti/45 nm Au 并剝離,如圖1(c)所示.最后將化學(xué)氣相沉淀方法生長(zhǎng)的(chemical vapor deposition,CVD)石墨烯通過濕法轉(zhuǎn)移的方法轉(zhuǎn)移到硅島上面,并采用刻蝕方法將石墨烯和與硅接觸的電極斷開,這樣整個(gè)石墨烯/硅肖特基器件制備完成,如圖1(d)所示,器件顯微鏡照片如圖1(e)所示,石墨烯形狀完好,沒有破裂.圖2(a)為制備的納米天線陣列示意圖,夾角為θ,每個(gè)陣列大小約10 μm,天線正方形邊長(zhǎng)為250 nm,周期為1750 nm,圖2(c),(d)為θ=0°和40°的納米天線的掃描電子顯微鏡圖片.

圖1 納米天線器件制備流程示意圖 (a) SOI 上刻蝕出硅島;(b)蒸鍍金屬接觸電極;(c)硅島上制備納米天線陣列;(d)轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜;(e)器件顯微鏡照片F(xiàn)ig.1.Device with antenna fabrication process: (a) Si island fabrication from SOI substrate;(b) electrodes deposition with EBE technique;(c) nano-antenna fabrication by EBL and EBE;(d) transferring of graphene film;(e) optical photo of the device.

圖2 納米天線陣列SEM 表征圖 (a)納米天線結(jié)構(gòu)示意圖;(b)一個(gè)周期單元結(jié)構(gòu)和參數(shù)示意圖;(c),(d)納米天線SEM 表征圖,陣列的周期d=1750 nm,同一周期中每個(gè)納米顆粒之間的間距為100 nm,θ 分別為0°和40°Fig.2.SEM photos of antenna array: (a),(b) Schematic of the antenna array and the related parameters of one unit;(c),(d) SEM images of the gold nano-antenna array,with the values of θ angle are 0° and 40°,respectively,the period d of the array is 1750 nm and the gap between two nanoparticle is 100 nm.

3 納米陣列等離激元對(duì)光電探測(cè)增強(qiáng)效果

首先,對(duì)器件進(jìn)行了微區(qū)光電流測(cè)試,測(cè)試的光路如圖3(a)所示,850 nm 激光通過20 倍物鏡聚焦照射在器件上,光斑直徑約1 μm,通過偏振片調(diào)節(jié)激光的線偏振方向和納米結(jié)構(gòu)x軸方向一致,如圖2(a)所示x方向(與納米結(jié)構(gòu)中心軸y水平垂直).然后,測(cè)試了器件的暗電流,有納米天線和無納米天線的暗電流基本一致(如圖3(a)),可見曲線是典型的背靠背肖特基的電流電壓特性曲線,金和硅以及硅和石墨烯都形成了肖特基接觸[24,25].我們挑選納米天線夾角為0°的納米顆粒陣列研究光電流增強(qiáng)情況,圖3(d)給出了有無納米天線的器件,在改變激光功率時(shí)光電流的變化趨勢(shì),隨著功率從0.03 mW 增大到1.86 mW,光電流逐漸增大并趨向飽和達(dá)到1.05 ×10–4A,而沒有天線的石墨烯/硅探測(cè)區(qū)域光電流為5.45×10–5A,天線對(duì)光電流增強(qiáng)約2 倍,有天線時(shí)光電流響應(yīng)度為56 mA/W,相比商用的PIN 結(jié)構(gòu)硅探測(cè)器響應(yīng)度低近一個(gè)數(shù)量級(jí)[17].本工作主要關(guān)注天線對(duì)探測(cè)性能提高的影響,沒有在器件結(jié)構(gòu)上做進(jìn)一步的優(yōu)化.

圖3 具有納米天線結(jié)構(gòu)的器件光電流表征 (a),(b)分別為光電流測(cè)試光路圖和測(cè)試平臺(tái)實(shí)物圖;(c)有無納米線天線的石墨烯/硅器件暗電流特性;(d)具有納米天線區(qū)域與沒有納米天線的區(qū)域光電流隨850 nm 激光功率的變化Fig.3.Photocurrent characterization of the device: (a),(b) Diagram of the optical path and the real measurement setup;(c) the dark current of the device with and without nano-antenna array;(d) photocurrent vs.laser power with 850 nm line of devices with and without nano-antenna array.

圖4(a)給出了制備出的器件暗場(chǎng)的照片,為了研究顆粒間距以及周期和夾角對(duì)探測(cè)效果的影響,設(shè)計(jì)了3 個(gè)區(qū)域的天線,分別是周期為1.2 μm、納米顆粒間距為40 nm 和100 nm 的I 和II 區(qū),周期為1.75 μm、納米顆粒間距為40 nm 的III 區(qū),每一個(gè)區(qū)域從右到左,由上到下,夾角θ 如圖中所標(biāo)注從0° 到90°.圖4(b)給出了1 mW,850 nm激光輻照下的光電流掃描圖,可見有納米天線的探測(cè)區(qū)域光電流明顯高于無納米線天線的區(qū)域,周期為1.2 μm、間距為100 nm 的納米顆粒陣列區(qū)域整體上光電流更大一些.當(dāng)研究夾角變化對(duì)納米結(jié)構(gòu)天線光電流強(qiáng)度影響規(guī)律時(shí),發(fā)現(xiàn)角度增大過程中,整體上光電流不斷增大,直到θ 為40°達(dá)到最大,隨后減小,最大增幅約為14%.然而,3 種結(jié)構(gòu)中一致地出現(xiàn)當(dāng)θ 為20°時(shí),光電流隨夾角變化存在一個(gè)谷,而此時(shí)光電流大小與夾角為0°時(shí)相當(dāng),如圖4(c)所示.

圖4 不同夾角納米天線陣列的光電流表征 (a) 20 倍物鏡顯微鏡下納米天線陣列的暗場(chǎng)圖,從右到左分為3 個(gè)區(qū)域I,II 和III,d 為陣列周期常數(shù),gap 為納米顆粒間距,每一個(gè)區(qū)域的陣列θ 角從0°到90°;(b) 1 mW 波長(zhǎng)為850 nm 激光輻照下納米天線陣列的光電流mapping 圖;(c) 不同區(qū)域光電流大小隨夾角的變化Fig.4.Photocurrent characterization of nano-antenna arrays with different parameters as d,gap and θ.(a) The dark field image of the nanoantenna array under a 20× objective lens microscope is divided into three areas I,II and III from right to left.d is the array periodic constant,gap is the distance between nanoparticles,and the θ angle of each area is from 0° to 90°.(b) The photocurrent mapping of the arrays with 1 mW 850 nm laser.(c) The photocurrent vs.θcurves of the device with different periodic parameters.

4 夾角對(duì)天線效果影響以及仿真結(jié)果

為進(jìn)一步理解光電流隨夾角變化這一現(xiàn)象背后的物理過程,采用Lumerical 中時(shí)域有限差分法(FDTD)進(jìn)行仿真工作,仿真中選取納米顆粒邊長(zhǎng)為250 nm、厚度為50 nm,納米顆粒間距為40 nm,周期為1200 nm,金屬選取Au (palik),周圍環(huán)境為空氣,夾角為以y軸為對(duì)稱軸,以上面兩個(gè)納米顆粒上邊靠近點(diǎn)連線中點(diǎn)為轉(zhuǎn)軸左右兩支的夾角.圖5(a)分別為夾角θ=0°—40°時(shí)該結(jié)構(gòu)的透射和吸收譜圖,可以看到明顯的法諾共振.當(dāng)兩個(gè)納米顆?？拷鼤r(shí),在光場(chǎng)激勵(lì)下形成兩個(gè)極化子(偶極子),類似當(dāng)氫原子靠近時(shí)軌道雜化一樣,兩個(gè)偶極子進(jìn)行雜化形成了成鍵和反成鍵態(tài)[20],而多個(gè)顆粒就形成了多體耦合結(jié)構(gòu)(多聚體)[26,27].這樣強(qiáng)耦合體系向平面泄漏或者輻射光將會(huì)產(chǎn)生干涉形成新的分立的泄漏模式,該模式和納米顆粒等離激元模式相耦合產(chǎn)生法諾共振.從仿真結(jié)果看,隨著角度增大,共振峰位以及強(qiáng)度沒有明顯變化.

圖5 納米天線透射光譜和夾角的關(guān)系 (a) FDTD 仿真計(jì)算的納米天線陣列的透射光譜隨θ 角的變化圖;(b) θ=16°,20°時(shí)的透射全譜Fig.5.Transmission spectra with the different θ: (a) Transmission spectra of the nano-antenna array with θ;(b) the typical transmission spectra of θ=16° and 20° simulated by FDTD method.

圖5(b)所示為夾角為16°和20°時(shí)的共振譜形,該譜形具有非對(duì)稱的結(jié)構(gòu),類似法諾共振耦合譜,主峰附近低能量的振蕩峰與多體耦合相關(guān);夾角為16°的透射率更高一些,說明泄漏出來的光部分越來越多,當(dāng)納米結(jié)構(gòu)角度張開的時(shí)候,電場(chǎng)離開金屬一定距離,能量主要集中在張開的間隙之間[28,29],這樣就會(huì)減小金屬本身的熱耗散,這一點(diǎn)也可以從光電流mapping 的結(jié)果得到驗(yàn)證,納米顆粒間距為100 nm 時(shí)光電流比間距為40 nm 的天線陣列對(duì)光電流增強(qiáng)效果明顯.與此同時(shí)本文中納米結(jié)構(gòu)低聚體可以看作一對(duì)定向張開的天線,通過天線匯聚的光場(chǎng)朝張角方向輻射.天線匯聚的光經(jīng)由石墨烯和硅直接吸收產(chǎn)生載流子,載流子在電場(chǎng)作用下被快速抽取形成光電流.入射光為透射共振高峰的電場(chǎng)能量分布圖和坡印亭矢量圖也驗(yàn)證了這一推論,圖6(a)—(f)為夾角θ=0°,20°和40°時(shí)的納米顆粒底面的電場(chǎng)能量分布圖和坡印亭矢量圖,可以看到間隙處有明顯的能量分布,從坡印亭矢量看,θ 為0°和20°能流多形成漩渦,從而形成駐波,由于距離納米顆粒比較近,所以金屬耗散相對(duì)比較大;而θ 為40°時(shí),能流離開顆粒,在平面內(nèi)流向介質(zhì),容易被探測(cè)物質(zhì)吸收和探測(cè),因此探測(cè)器響應(yīng)度隨著夾角增大而增強(qiáng),而在20°附近出現(xiàn)低谷.進(jìn)一步從仿真中提取出納米顆粒陣列吸收系數(shù)隨夾角的變化,結(jié)果以mapping 形式在圖7 中給出.可以看到,隨著夾角增大,納米陣列吸收變得越來越小,從20°開始,吸收明顯減弱.需要指出的是,為了簡(jiǎn)化仿真過程,沒有考慮襯底影響,所以仿真結(jié)果波長(zhǎng)比實(shí)驗(yàn)波長(zhǎng)有紅移,基于前期工作進(jìn)行了波長(zhǎng)校準(zhǔn).

圖6 透射尖峰波長(zhǎng)處探測(cè)器表面電場(chǎng)和坡印亭矢量分布圖,其中夾角θ 分別為(a),(b) 0°;(c),(d) 20°;(e),(f) 40°Fig.6.Electric field and Poynting vector distribution at the transmission peak wavelength,θ equals to (a),(b) 0°,(c),(d) 20°,(e),(f) 40°.

圖7 FDTD 仿真計(jì)算的納米天線陣列的吸收光譜隨θ 角變化的mapping 圖Fig.7.Simulation results of the extinction coefficient of the antenna with θ.

5 結(jié)論和討論

基于石墨烯/硅肖特基探測(cè)器研究了金屬納米結(jié)構(gòu)等離激元天線的夾角對(duì)光場(chǎng)增強(qiáng)的影響,整體上天線對(duì)光響應(yīng)度實(shí)現(xiàn)了兩倍的增強(qiáng).當(dāng)夾角從0°到90°變化時(shí),光電流先增大,后來趨向飽和,當(dāng)該夾角為40°時(shí),光電流達(dá)到最大值,對(duì)應(yīng)法諾共振最大的透射率,此時(shí)天線不僅匯聚光場(chǎng)能量還定向發(fā)射給探測(cè)器;當(dāng)該夾角為20°時(shí),光電流出現(xiàn)一個(gè)低谷,此時(shí)能量局域于低聚體內(nèi),金屬損耗減弱了等離激元增強(qiáng)效果.可以進(jìn)一步推測(cè),泄漏場(chǎng)的干涉有望實(shí)現(xiàn)BIC,從而輻射能量得以消除,將能量集中于結(jié)構(gòu)內(nèi),然而由于金屬材料損耗比較大,又由于襯底介電常數(shù)以及吸收特性,無法進(jìn)一步得到BIC 現(xiàn)象.該工作通過時(shí)域有限差分法仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,研究了多個(gè)納米顆粒組成的多聚體超構(gòu)表面光電耦合效率的動(dòng)態(tài)過程,為提高光電探測(cè)效率提供了一種重要的途徑.