台大光电所所讯

第164期 2020年7月刊

发行人：黄建璋所长　　编辑委员：曾雪峰教授　　主编：林筱文　　发行日期：2020.07.30

本所杨志忠教授荣膺台湾大学「粘铭讲座」教授，特此恭贺！

本所曾雪峰教授荣获「教育部2020年师铎奖」，特此恭贺！

Infrared broadband photodetector based on Schottky barrier of metal/Silicon

Professor Ching-Fuh Lin

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所林清富教授

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.

论文题目：锗/锗锡光激发光及其光电组件之研究

姓名：林宗毅指导教授：刘致为教授

摘要

由于锗为间接能隙材料故其发光的效率及其吸收光的效率都有加强的空间，而我们发现掺入7%-10%锡可以使其Gvalley下降甚至低于Gvalley使其变成直接能隙材料，目前锗锡材料已被用来利用光来产生激光也用来制作晶体管因为其电洞之迁移率高于锗，但是其材料特性、发光组件、以及光侦测器皆需要更进一步的研究，尤其是光侦测器的部分不管其吸收材料是硅、锗、甚至锗锡皆需要进一步的研究，因为目前在物联网、自驾车或是在光联结上在接受端的发展皆是非常需要的。

表面钝化是可用来提升锗锡材料之光电组件后的效率，表面钝化可以利用两个方式达成一个是降低表面断键产生的缺陷但是这种方式需要高温来产生，而在锗锡材料上热预算约为400度所以其降低表面断键的效果并不好，第二种达到表面钝化的方式是利用带电的氧化物将表面载子与缺陷复合的机率降低，而这种方式也应用在高效率的太阳电池当中，在论文中原子层堆积被利用来成长了二氧化硅以及氧化铝在硅锗表面利用其带负电的特性来钝化表面，金氧半的电容也被制作来萃取其带电量，而光激发光的频谱强度被用来判断其钝化的效果，当光打入锗锡材料中会产生电子电洞对如果钝化成功的话表面的载子就不会产生非放光式的复合，而在制程的优化下20-cycle的二氧化硅搭配上60-cycle的氧化铝能产生最好的钝化效果。

由于发光组件在目前的四族光电组件当中是十分缺乏的所以在论文中我们利用金氧半结构来制作电激发光的组件，目前的发光组件皆需要额外的掺杂而掺杂皆有可能产生额外的缺陷，利用金氧半结构也可以侦测到真正的薄膜质量，我们利用原子层堆积极薄的3nm氧化铝来达成金氧半的结构，我们也发现载子的分布会影响发光的波段。

Ge/GeSn/Ge量子井结构之光激发光频谱，利用原子层堆积的Al₂O₃/SiO₂ 可以有效的钝化表面使其光激发光的强度最强。

Ge/GeSn/Ge量子井之穿隧式发光二极管之电激发光频谱，其发光之频谱可以利用载子的分布也可以利用锡之浓度来调整。

— 资料提供：影像显示科技知识平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理：林晃岩教授、吴昕妤 —

交叉的奈米线检测器

太赫兹（THz）波可以穿透大多数非导电材料，进而实现了包括光谱学，感测和成像等各种应用。当实施太赫兹时域光谱法时，期望能快速且精确地测量太赫兹波的偏振态。然而，当前可用的偏振敏感检测器在检测通道之间会遭受干扰，以线栅太赫兹偏振器（wire-grid THz polarizer）为基础的偏振敏感检测器则需要两倍的数据采集时间。为了克服这些技术限制，Kun Peng和来自英国和澳大利亚的同事，现在已经开发出了一种偏振敏感的交叉奈米线太赫兹检测器（如图一所示），图二为其在25°倾斜角度下特写中心的SEM图像，可以一次记录一个太赫兹脉冲的完整偏振态而不会出现干扰（Science 368，510–513; 2020）。该团队通过表征各种超颖材料的行为而证明了检测器的功能。

图一、组件几何形状的示意图

图二、检测器在25°倾斜角度下特写中心的SEM图像

交叉奈米线检测器由两对领结型金电极组成，由正交方式交叉的InP奈米线桥接，以建立两个同时且独立的测量通道。奈米线的平均直径和长度分别为约280奈米和10微米。每个领结上的奈米线排列成平行于间隙方向，因此，与不同领结电极接触的奈米线在与基板空间分隔的同时是正交的，可以确保将它们是电隔离的。交叉奈米线组件是透过电子束蚀刻和奈米线微定位两步骤制造的，使用转移印刷技术可以有效地控制奈米线在组件中的位置和方向。

当太赫兹脉冲平行于信道方向极化时，响应电流最大。在测量过程中，入射的太赫兹脉冲会在检测器的每个通道中感应出一个瞬态光电流，而每个通道的强度都由太赫兹极化决定。当太赫兹脉冲平行于信道方向极化时，响应电流最大；而垂直于通道方向极化时，响应电流降至近零。对交叉奈米线组件之极化灵敏度做评估，在校准之后，极化角的最小可检测变化为0.38°是可能的。

国际团队进一步研究了交叉奈米线组件的多功能性：他们使用开口环谐振器对制造超颖材料，用于太赫兹偏振转换器，其功能为测量了其透射光谱。透射光谱显示出仿真和测量之间有良好的一致性。

交叉奈米线组件可以为高速和高精度太赫兹脉冲成像，传感和光谱学开创先锋。其优点为它们可以代替大多数太赫兹时域光谱系统中的常规光电导接收器，而无需对光学布局进行任何更改。

参考资料：	[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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