臺大光電所所訊

第164期 2020年7月刊

發行人：黃建璋所長　　編輯委員：曾雪峰教授　　主編：林筱文　　發行日期：2020.07.30

本所楊志忠教授榮膺臺灣大學「粘銘講座」教授，特此恭賀！
本所曾雪峰教授榮獲「教育部109年師鐸獎」，特此恭賀！

Infrared broadband photodetector based on Schottky barrier of metal/Silicon

Professor Ching-Fuh Lin

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所林清富教授

Generally speaking, silicon-based photodetectors are not suitable for the detection of 1550 nm, because the band gap of silicon is 1.12 eV, corresponding to the cut-off wavelength around 1100 nm. Therefore, the detection of infrared light is mainly based on III-V semiconductors or germanium, due to the low band gap. However, III-V materials and germanium are scarce and expensive relatively. In order to resolve above problems, we study the Schottky photodetector based on silicon. Since the silicon-based Schottky photodetector is associated with simple process, low cost and easy integration with electronic component, it has great potential for replacing III-V group and germanium.

As an example, the Schottky photodetector of NiSi/n-Si/Au (Figure 1) has the response of about 0.37 mA/W for 1550 nm, as shown in Figure 2 and Table 1. This Schottky photodetector is applicable not only to 1550 nm, but also to MWIR of 4.83 um, also shown in Figure 2 and Table 1, the change of current for 4.83 um could be about 0.0094 mA.

Fig. 1 The schematic diagram of Nisi/n-Si/Au Schottky photodetector.

Fig. 2 Time–dependent photocurrents of NiSi/n-Si/Au for 1550 nm at 0 bias.

Fig. 3 Time–dependent photocurrents of NiSi/n-Si/Au for 4.83 um at +0.1 bias. (After fitting)

Table 1 The photovoltaic characteristics of NiSi/n-Si/Au for 1550 nm and 4.83 um.

論文題目：鍺/鍺錫光激發光及其光電元件之研究

姓名：林宗毅指導教授：劉致為教授

摘要

由於鍺為間接能隙材料故其發光的效率及其吸收光的效率都有加強的空間，而我們發現摻入7%-10%錫可以使其Gvalley下降甚至低於Gvalley使其變成直接能隙材料，目前鍺錫材料已被用來利用光來產生雷射也用來製作電晶體因為其電洞之遷移率高於鍺，但是其材料特性、發光元件、以及光偵測器皆需要更進一步的研究，尤其是光偵測器的部分不管其吸收材料是矽、鍺、甚至鍺錫皆需要進一步的研究，因為目前在物聯網、自駕車或是在光聯結上在接受端的發展皆是非常需要的。

表面鈍化是可用來提升鍺錫材料之光電元件後的效率，表面鈍化可以利用兩個方式達成一個是降低表面斷鍵產生的缺陷但是這種方式需要高溫來產生，而在鍺錫材料上熱預算約為400度所以其降低表面斷鍵的效果並不好，第二種達到表面鈍化的方式是利用帶電的氧化物將表面載子與缺陷複合的機率降低，而這種方式也應用在高效率的太陽電池當中，在論文中原子層堆積被利用來成長了二氧化矽以及氧化鋁在矽鍺表面利用其帶負電的特性來鈍化表面，金氧半的電容也被製作來萃取其帶電量，而光激發光的頻譜強度被用來判斷其鈍化的效果，當光打入鍺錫材料中會產生電子電洞對如果鈍化成功的話表面的載子就不會產生非放光式的複合，而在製程的優化下20-cycle的二氧化矽搭配上60-cycle的氧化鋁能產生最好的鈍化效果。

由於發光元件在目前的四族光電元件當中是十分缺乏的所以在論文中我們利用金氧半結構來製作電激發光的元件，目前的發光元件皆需要額外的摻雜而摻雜皆有可能產生額外的缺陷，利用金氧半結構也可以偵測到真正的薄膜品質，我們利用原子層堆積極薄的3nm氧化鋁來達成金氧半的結構，我們也發現載子的分佈會影響發光的波段。

Ge/GeSn/Ge量子井結構之光激發光頻譜，利用原子層堆積的Al₂O₃/SiO₂ 可以有效的鈍化表面使其光激發光的強度最強。

Ge/GeSn/Ge量子井之穿隧式發光二極體之電激發光頻譜，其發光之頻譜可以利用載子的分佈也可以利用錫之濃度來調整。

— 資料提供：影像顯示科技知識平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理：林晃巖教授、吳昕妤 —

交叉的奈米線檢測器

太赫茲（THz）波可以穿透大多數非導電材料，進而實現了包括光譜學，感測和成像等各種應用。當實施太赫茲時域光譜法時，期望能快速且精確地測量太赫茲波的偏振態。然而，當前可用的偏振敏感檢測器在檢測通道之間會遭受干擾，以線柵太赫茲偏振器（wire-grid THz polarizer）為基礎的偏振敏感檢測器則需要兩倍的數據採集時間。為了克服這些技術限制，Kun Peng和來自英國和澳大利亞的同事，現在已經開發出了一種偏振敏感的交叉奈米線太赫茲檢測器（如圖一所示），圖二為其在25°傾斜角度下特寫中心的SEM圖像，可以一次記錄一個太赫茲脈衝的完整偏振態而不會出現干擾（Science 368，510–513; 2020）。該團隊通過表徵各種超穎材料的行為而證明了檢測器的功能。

圖一、元件幾何形狀的示意圖

圖二、檢測器在25°傾斜角度下特寫中心的SEM圖像

交叉奈米線檢測器由兩對領結型金電極組成，由正交方式交叉的InP奈米線橋接，以建立兩個同時且獨立的測量通道。奈米線的平均直徑和長度分別為約280奈米和10微米。每個領結上的奈米線排列成平行於間隙方向，因此，與不同領結電極接觸的奈米線在與基板空間分隔的同時是正交的，可以確保將它們是電隔離的。交叉奈米線元件是透過電子束蝕刻和奈米線微定位兩步驟製造的，使用轉移印刷技術可以有效地控制奈米線在元件中的位置和方向。

當太赫茲脈衝平行於通道方向極化時，響應電流最大。在測量過程中，入射的太赫茲脈衝會在檢測器的每個通道中感應出一個瞬態光電流，而每個通道的強度都由太赫茲極化決定。當太赫茲脈衝平行於通道方向極化時，響應電流最大；而垂直於通道方向極化時，響應電流降至近零。對交叉奈米線元件之極化靈敏度做評估，在校準之後，極化角的最小可檢測變化為0.38°是可能的。

國際團隊進一步研究了交叉奈米線元件的多功能性：他們使用開口環諧振器對製造超穎材料，用於太赫茲偏振轉換器，其功能為測量了其透射光譜。透射光譜顯示出模擬和測量之間有良好的一致性。

交叉奈米線元件可以為高速和高精度太赫茲脈衝成像，傳感和光譜學開創先鋒。其優點為它們可以代替大多數太赫茲時域光譜系統中的常規光電導接收器，而無需對光學佈局進行任何更改。

參考資料：	[1] Noriaki Horiuchi, “Cross-nanowire detectors,” Nature Photonics volume 14, 343(2020) https://www.nature.com/articles/s41566-020-0646-5 DOI:10.1038/s41566-020-0646-5 [2] Kun Peng, Dimitars Jevtics, Fanlu Zhang, Sabrina Sterzl, Djamshid A. Damry, Mathias U. Rothmann, Benoit Guilhabert, Michael J. Strain, Hark H. Tan, Laura M. Herz, Lan Fu, Martin D. Dawson, Antonio Hurtado, Chennupati Jagadish, Michael B. Johnston, “Three-dimensional cross-nanowire networks recover full terahertz state,” Science 368, 510-513(2020) https://science.sciencemag.org/content/sci/368/6490/510 DOI: 10.1126/science.abb0924

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