計吉燾，翟雨生，吳志鵬，馬祥宇，穆慧惠，王琦龍

(東南大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 信息顯示與可視化國際合作實驗室，江蘇 南京 210096)

1 引 言

光電集成電路(Optoelectronic Integrated Circuits，OEIC)的工作帶寬遠大于電子電路，擁有電子電路無法比擬的信息處理能力，能夠有效解決集成電路的速率瓶頸問題。然而，受到光學(xué)衍射極限的限制，傳統(tǒng)光學(xué)元件的有效尺寸在微米級別，難以實現(xiàn)高度集成化。同時，光學(xué)器件與電子器件間嚴重的尺寸失配，使得兩者難以實現(xiàn)真正意義的互聯(lián)。因此，如何突破傳統(tǒng)光學(xué)器件衍射極限，實現(xiàn)小型化和集成化的光電互聯(lián)，成為光電集成電路中亟待解決的問題[1-2]。

表面等離激元作為一種在金屬/介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿?，具有局域電場增強的特性，能夠突破傳統(tǒng)光學(xué)的衍射極限，是目前光電集成電路領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一[3-5]。以表面等離激元作為信號載體的表面等離激元器件能夠有效結(jié)合納米電子學(xué)的緊湊性與光學(xué)器件的高帶寬特性，有望構(gòu)建新型的高速、高集成化的光電集成電路[6-9]。表面等離激元探測器作為信號讀出器件，是構(gòu)建以等離激元為信號載體的光電集成電路中必不可少的部分。目前，表面等離激元的探測主要通過近場掃描顯微鏡、熒光成像、泄露模顯微鏡成像等光學(xué)觀測方法實現(xiàn)[10-11]。然而，對于上述新型的光電集成電路而言，需要將等離激元信號有效轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號，與電學(xué)元件相集成，因而需要通過輸出電信號的形式來探測表面等離激元。

由于等離激元作為信息載體在傳輸帶寬、器件集成度上的巨大優(yōu)勢，等離激元探測器受到了科研人員的廣泛關(guān)注，多種等離激元信號探測結(jié)構(gòu)已經(jīng)被提出。相關(guān)研究將表面等離激元波導(dǎo)與金屬-半導(dǎo)體-金屬(Metal Semicondutor Metal，MSM)探測結(jié)構(gòu)相結(jié)合，利用MSM探測結(jié)構(gòu)將在波導(dǎo)中傳播的表面等離激元信號散射或近場耦合到探測結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層中，通過半導(dǎo)體層對等離激元信號的吸收來產(chǎn)生電信號。比利時魯汶大學(xué)Pieter Neutens課題組利用Au/GaAs/Au構(gòu)成的MSM探測結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對MIM表面等離激元波導(dǎo)中傳輸?shù)牡入x激元的探測[13]。然而，該器件的制備過程涉及多次金屬層和半導(dǎo)體層的沉積與外延，工藝要求較高，同時，MSM探測器與MIM波導(dǎo)構(gòu)成的垂直型結(jié)構(gòu)不利于器件與外圍電路相集成。法國貝桑松大學(xué)的研究人員利用金屬納米圓盤線陣列作為光學(xué)發(fā)射天線，將入射激光耦合成表面等離激元信號，并將其傳輸進入金/間隙/金隧道結(jié)(MIM)的整流天線中，利用等離激元引入的電場引起隧道電流變化來探測等離激元[12]。盡管如此，MIM隧道結(jié)的制備需要多次光刻來實現(xiàn)，并且隧道結(jié)的間隙需要通過電遷移法控制到1 nm以內(nèi)，器件的制備極其復(fù)雜并且難以控制。除了上述利用集成波導(dǎo)的MSM探測結(jié)構(gòu)和MIM隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，還有不少研究利用二維材料如二硫化鉬[14]、石墨烯[15]等與金屬納米線相結(jié)合實現(xiàn)對表面等離激元的探測。盡管二維材料具有較高的載流子遷移率，在一定程度上能夠提高響應(yīng)速度及載流子的輸運效率，但二維材料與金屬納米線形成的探測結(jié)構(gòu)的均一性無法保證，并且其對準(zhǔn)工藝要求嚴苛，難以與CMOS工藝兼容。

綜上所述，上述三種探測結(jié)構(gòu)盡管都從原理驗證角度實現(xiàn)了對等離激元信號的探測，但是由于器件結(jié)構(gòu)和制備工藝的復(fù)雜性，無法與現(xiàn)有的硅基電子電路相結(jié)合，充分發(fā)揮等離激元在信號傳輸和數(shù)據(jù)處理中的優(yōu)勢。因此，設(shè)計CMOS工藝兼容的、易于制備的新型表面等離激元探測結(jié)構(gòu)是急需解決的問題之一。

周期性金屬光柵由于結(jié)構(gòu)簡單、耦合效率高、易于制備、共振波長可調(diào)節(jié)等特點，被廣泛應(yīng)用于表面等離激元的耦合與散射。本文設(shè)計并制備了一種基于周期性光柵的平面型表面等離激元探測結(jié)構(gòu)，利用耦合光柵、條形波導(dǎo)以及探測光柵結(jié)構(gòu)分別激發(fā)、傳輸和探測表面等離激元。首先，通過優(yōu)化耦合光柵、探測光柵以及波導(dǎo)的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到了在可見光及光通信波段的等離激元探測模型。然后，利用微納加工工藝制備了可見光波段的探測結(jié)構(gòu)，通過實驗驗證上述仿真模型的正確性。所提出的平面型表面等離激元探測器結(jié)構(gòu)簡單，制備工藝與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容，為表面等離激元探測器的制備及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。

2 基于周期性光柵的探測結(jié)構(gòu)模型

2.1 可見光波段探測模型設(shè)置

基于周期性光柵的表面等離激元探測結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，其中一端為耦合光柵，另一端為探測光柵，中間通過條形波導(dǎo)相連接，基底材料為硅。本文采取二維模擬，即對探測結(jié)構(gòu)的x-z平面進行仿真，結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。在可見光波段(670 nm)，耦合光柵模型參數(shù)設(shè)置如下：周期P=630 nm，光柵寬度W=300 nm，厚度t=80 nm；波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為條形金波導(dǎo)，長度L=5 μm，厚度t=80 nm；探測光柵的周期p=600 nm，寬度w=300 nm，厚度t=80 nm。采用全場散射場光源(TFSF)作為入射光源，光源波長為400～1 000 nm，沿z軸負軸方向入射，偏振方向為x軸方向。仿真區(qū)域中x軸、z軸邊界條件均設(shè)置為完美吸收邊界條件，網(wǎng)格精度為5 nm。功率監(jiān)視器的位置如圖1(b)中的虛線所示，其中，耦合效率為η的監(jiān)視器設(shè)置在耦合光柵與條型波導(dǎo)的交接處，方向沿z軸；吸收率為η的監(jiān)視器位于探測光柵與硅基底的界面處，方向沿x軸，由波導(dǎo)末端至探測光柵末端，計算由探測光柵引起的散射進入硅基底的光功率。模型中材料Au和Si分別采用Johnson and Christy 實驗所得結(jié)果和Palik實驗所得結(jié)果[16-17]。

(a)三維探測結(jié)構(gòu)示意圖 (a)Schematic diagram of three-dimensional detection structure

(b)二維仿真結(jié)構(gòu)示意圖 (b)Two-dimensional simulation structure圖1 等離激元探測結(jié)構(gòu)的仿真模型Fig.1 Simulation model for surface plasmons detection

2.2 可見光波段探測模型的工作原理

耦合光柵是常見的表面等離激元激發(fā)結(jié)構(gòu)，用于補償表面等離激元與入射光之間的波矢失配，其耦合條件可以表示為：

(1)

其中：kspp為表面等離激元波矢，k0為介質(zhì)中光的波矢，P為光柵周期，m為衍射級，λ0為真空中入射光的波長，ni為介質(zhì)的折射率，εd和εm分別為介質(zhì)和金屬的介電常數(shù)，θ為入射光的角度。

在所設(shè)計的表面等離激元探測結(jié)構(gòu)中，耦合光柵補償入射光與金-空氣界面表面等離激元間的波矢失配，將入射光耦合成在條形波導(dǎo)上傳輸?shù)谋砻娴入x激元，在此定義傳輸?shù)綏l形波導(dǎo)中的光功率與入射光功率的比值為光柵的耦合效率η。圖2(a)為不同入射光波長條件下的耦合效率，當(dāng)入射波長為670 nm時，耦合效率達到最高值7.8%。圖2(a)中的插圖表明，電場集中在金光柵-空氣界面，并且電場強度沿垂直界面的方向指數(shù)衰減，表明耦合光柵激發(fā)了金-空氣界面的表面等離激元。圖2(b)展示了在670 nm入射條件下，波導(dǎo)末端及探測光柵處的電場強度分布。當(dāng)被激發(fā)的表面等離激元沿著條形波導(dǎo)在金-空氣界面?zhèn)鬏數(shù)讲▽?dǎo)末端時，由于波矢失配，表面等離激元被探測光柵重新解耦成自由空間的光，以光子的形式向外散射。如圖2(c)所示(彩圖見期刊電子版)，其中一部分被散射進入空氣中(綠色箭頭)，另一部分被散射進入硅基底中(藍色箭頭)。由于入射光的工作波長為670 nm，因此被散射進入基底的光直接被硅基底吸收，從而形成電子-空穴對。當(dāng)在探測光柵上間隔地施加正負偏壓，即探測光柵以如圖2(c)的叉指電極形式作為探測結(jié)構(gòu)，所產(chǎn)生的電子-空穴對在外加電場的作用下能夠被迅速分離，并由兩端的金電極有效收集，從而產(chǎn)生光電流信號，實現(xiàn)對表面等離激元的電學(xué)探測。圖2(d)為探測光柵中一組電極的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，描繪了散射進入基底的光被硅吸收，產(chǎn)生電子空穴對并被兩端金電極收集的過程。

需要指出的是，利用時域有限差分法對上述探測結(jié)構(gòu)進行仿真計算時，主要研究探測結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性，因而定義由探測光柵引起的散射進入硅基底的光功率與入射光功率的比值為等離激元的吸收率γ，以η作為衡量該結(jié)構(gòu)探測性能的參數(shù)。圖2(a)中的空心方形曲線代表等離激元的吸收率，其變化趨勢與耦合效率一致，吸收率在670 nm處達到最高值4.3%。

(a)耦合效率及吸收率，插圖：670 nm入射條件下耦合光柵處的電場強度分布

(a)Coupling efficiency and absorption efficiency. Inset： normalized electric field intensity distribution at grating coupler at 670 nm

(b)波導(dǎo)末端及探測光柵處的電場強度分布

(b)Normalized electric field intensity distribution at waveguide and detecting grating

(c)探測光柵探測原理示意圖 (c)Operating principle of detecting grating

(d)探測光柵能帶結(jié)構(gòu)示意圖 (d)Band diagram of detecting grating圖2 670 nm波段仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results at 670 nm

2.3 光通信波段探測模型

針對工作在光通信波段(1 310 nm和1 550 nm)的仿真模型，根據(jù)周期性光柵激發(fā)條件方程(1)設(shè)計了相應(yīng)的探測結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。采用全場散射場光源，波長為800～1 800 nm，沿z軸負軸方向入射，偏振方向為x軸方向?？紤]到硅基底無法吸收在通信波段被散射的表面等離激元，將基底材料替換為鍺，材料參數(shù)采用Palik實驗所得結(jié)果，其余仿真設(shè)置均與可見光波段一致。圖3所示為基于上述結(jié)構(gòu)參數(shù)的光通信波段探測結(jié)構(gòu)對應(yīng)的耦合效率及吸收率曲線。該結(jié)構(gòu)在1 310 nm和1 550 nm處的耦合效率分別達到4.5%和3.7%，對應(yīng)的吸收率分別為3.2%和3.5%。因此，通過改變耦合光柵、探測光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及基底材料，能夠?qū)⑸鲜鎏綔y結(jié)構(gòu)的工作波長調(diào)節(jié)到1 310和1 550 nm處，這為光通信波段的表面等離激元探測提供了一定的理論基礎(chǔ)。

表1 光通信波段探測模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 1 310 nm，1 550 nm波段的耦合效率及吸收率Fig.3 Coupling efficiencies and absorption efficiencies at 1 310 nm and 1 550 nm

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 不同入射偏振條件下的耦合效率及吸收率

在周期性金屬光柵結(jié)構(gòu)中，表面等離激元的激發(fā)效率強烈依賴于入射光的偏振角度，因而根據(jù)入射線偏振光的偏振角度來研究光柵耦合效率及吸收率的變化，可以驗證上述探測結(jié)構(gòu)能否有效激發(fā)并探測表面等離激元。本節(jié)基于2.1節(jié)所述的可見光波段的表面等離激元探測模型，通過改變?nèi)肷涔馄窠嵌龋玫饺鐖D4所示的耦合效率及吸收率的變化。在670 nm入射條件下，當(dāng)入射光偏振方向與耦合光柵周期方向相垂直時(90°/270°)，耦合效率達到最高，為7.8%；當(dāng)偏振方向與光柵周期方向平行時(0°/180°)，此時無法激發(fā)表面等離激元，耦合效率幾乎為零。經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合，耦合光柵的耦合效率與入射光偏振角度成余弦平方關(guān)系，這與周期性光柵中表面等離激元的激發(fā)條件相吻合，表明該結(jié)構(gòu)中耦合光柵能夠有效激發(fā)表面等離激元。探測光柵處的吸收率最高能夠達到4.3%，它隨偏振角度的變化趨勢與耦合效率保持一致，證明了所提出的探測結(jié)構(gòu)能夠有效探測耦合光柵處激發(fā)的表面等離激元。

圖4 耦合效率、吸收率隨入射光偏振角度的變化關(guān)系

Fig.4 Coupling efficiency and absorption efficiency as a function of polarization angle of incident light

3.2 不同波導(dǎo)長度條件下的吸收率變化

為了進一步驗證該探測結(jié)構(gòu)的有效性，同時探究該結(jié)構(gòu)中表面等離激元的傳輸損耗特性，本節(jié)內(nèi)容根據(jù)2.1節(jié)可見光波段的探測模型，在仿真過程中固定耦合光柵和探測光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過改變條形波導(dǎo)長度研究探測光柵處的吸收率變化。如圖5所示，在670 nm入射條件下，探測結(jié)構(gòu)的吸收率隨波導(dǎo)長度的增加呈指數(shù)衰減。而表面等離激元隨傳輸距離的衰減可以表示為：

(2)

其中：x為表面等離激元的傳輸距離，Lspp為表面等離激元的傳播長度，P0和Px分別為傳輸距離為0和x時對應(yīng)的表面等離激元能量。

圖5 不同波導(dǎo)長度對應(yīng)的吸收率Fig.5 Absorption efficiency corresponding to different waveguide lengths

由于吸收率γ的衰減對應(yīng)金-空氣界面表面等離激元的傳輸損耗，因而將吸收率γ隨傳輸距離的衰減根據(jù)方程(2)進行擬合，得到等離激元的傳播長度Lspp為17.1 μm。

理論上，表面等離激元的傳播長度可以表示為[18]：

(3)

4 實 驗

為驗證上述仿真結(jié)果的正確性，本文圍繞可見光波段的仿真模型，利用電子束曝光工藝制備了工作在670 nm的探測結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：耦合光柵周期P=630 nm，寬度W=300 nm，厚度t=80 nm；波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為錐形金波導(dǎo)，長度L=5 μm，厚度t=80 nm；探測光柵周期p=600 nm，寬度w=300 nm，厚度t=80 nm。

考慮到實際的入射光斑面積，在不影響耦合效率的前提下，實驗制備過程中擴大了耦合光柵的面積，對應(yīng)地增加了波導(dǎo)上半部分寬度。為了保持探測光柵面積尺寸不變，波導(dǎo)下半部分寬度維持不變，因此波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是圖7(a)插圖所示的錐形結(jié)構(gòu)，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)均與仿真結(jié)構(gòu)相同。探測光柵制備成叉指電極結(jié)構(gòu)，在表面等離激元探測過程中有雙重作用，一方面，探測光柵作為散射結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒈砻娴入x激元重新解耦成自由空間的光，使它以光子的形式向硅基底散射；另一方面，探測光柵作為叉指電極能夠有效收集硅基底吸收表面等離激元之后產(chǎn)生的載流子，從而形成光電流信號。

具體制備流程如圖6(a)所示，首先選用N型輕摻雜單拋硅片作為基底，經(jīng)超聲清洗后在硅片上旋涂光刻膠，隨后利用電子束對樣品進行圖案化曝光；光刻完成后，將樣品放入顯影液中進行顯影；然后，利用真空熱蒸鍍工藝在樣品上蒸鍍厚度為80 nm的金薄膜；最后，將樣品放入丙酮溶液中剝離殘余的光刻膠，制備得到所需的等離激元探測結(jié)構(gòu)。

(a)電子束曝光工藝 (a)Electron beam lithography process

(b)光電測試系統(tǒng) (b)Photoelectric measuring system圖6 實驗制備流程及測試系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of preparation process and measuring system

樣品制備完成后，利用如圖6(b)的微區(qū)光電測試系統(tǒng)對探測結(jié)構(gòu)的光電性能進行測試。入射光源是波長為670 nm的激光光源，經(jīng)過準(zhǔn)直光路后，由50倍的聚焦物鏡聚焦到耦合光柵上。同時，利用Keithley 2400型多功能數(shù)字源表在叉指電極兩端施加偏壓，并測量叉指電極兩端產(chǎn)生的光電流信號，從而探測耦合光柵處激發(fā)的表面等離激元。測試過程中，在光路中添加偏振片和半波片來控制入射激光的偏振角度。

圖7(a)左上角的插圖是制備的探測結(jié)構(gòu)的SEM表征圖，圖7(a)為暗態(tài)條件下探測光柵的伏安特性曲線，呈現(xiàn)出雙肖特基結(jié)的線型，表明叉指電極能夠起到有效的探測功能。由于探測光柵中叉指電極的間距較小，過高的偏壓容易燒毀叉指電極，因此在實驗測試過程中在叉指電極兩端施加較低的偏壓，為-1 mV。圖7(b)所示為在6.63 μW，670 nm的入射光照條件下測試得到的光電流隨入射光偏振角度的變化關(guān)系。當(dāng)入射光偏振方向與光柵周期方向相垂直時(90°/270°)，光電流達到最高；當(dāng)偏振方向與光柵周期方向平行時(0°/180°)，光電流最小。通過擬合曲線可以發(fā)現(xiàn)，光電流與入射光偏振角度呈余弦平方關(guān)系，該趨勢與圖4中的吸收率變化趨勢相吻合。因此，可見光波段探測結(jié)構(gòu)的實驗結(jié)果進一步證實了利用上述結(jié)構(gòu)探測表面等離激元的可行性。

為進一步表征所制備的探測結(jié)構(gòu)的光電性能，實驗測試了在-1 mV偏壓，入射光偏振方向與光柵周期方向相垂直條件下(90°/270°)，不同功率的670 nm入射光引起的光電流變化，結(jié)果如圖7(c)所示。入射光功率在1.23～48.3 μW，探測結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的線性度。根據(jù)圖7(c)中光電流與入射光功率的線性關(guān)系，可以計算出該探測結(jié)構(gòu)的響應(yīng)度約為1.90 mA/W。

(a)暗態(tài)電流-電壓特性曲線，插圖：探測結(jié)構(gòu)SEM形貌圖

(a)DarkI-Vcharacteristics curve. Inset： SEM image of detection structure

(b)-1 mV偏壓，6.63 μW，670 nm的入射光照條件下，光電流隨入射光偏振角度的變化

(b)Photocurrent as a function of polarization angle of incident light under 670 nm illumination (-1 mV bias voltage， 6.63 μW)

(c)-1 mV偏壓下不同入射光功率條件下的光電流 (c)Photocurrent under different incident powers with bias voltage of -1 mV圖7 探測結(jié)構(gòu)光電特性測試結(jié)果Fig.7 Photoelectric properties of detection structure

上述實驗結(jié)果表明，所提出的探測結(jié)構(gòu)能夠有效控測由耦合光柵激發(fā)的表面等離激元。然而，仿真計算得到的探測效率和實驗測得的響應(yīng)度均較低，與傳統(tǒng)的光電探測器存在一定差距，其原因可以分為以下三點：一是表面等離激元的耦合效率偏低；二是表面等離激元在金屬-空氣界面固有的高傳輸損耗，致使最終的探測效率較低；三是在波導(dǎo)上傳輸?shù)谋砻娴入x激元被探測光柵解耦后，有一部分以光子的形式散射到自由空間中，無法被硅基底吸收形成光電流，造成了一定的損耗。因此，在后續(xù)研究中，可以通過改進耦合光柵結(jié)構(gòu)或設(shè)計單向耦合結(jié)構(gòu)來提高表面等離激元的耦合效率；設(shè)計制備低損耗的長程表面等離激元波導(dǎo)，以降低傳輸過程中的損耗；優(yōu)化探測光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)或在探測光柵底部添加金屬反射層，以提高表面等離激元的吸收率。從耦合效率、傳輸損耗和吸收效率三方面提升表面等離激元探測器的探測效率.

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于周期性光柵的平面型表面等離激元探測結(jié)構(gòu)。首先，利用二維時域有限差分方法設(shè)計了工作在可見光波段(670 nm)和光通信波段(1 310 nm和1 550 nm)的仿真模型，并通過改變?nèi)肷涔獾钠窠嵌?，得到耦合光柵的耦合效率與偏振角度成余弦平方關(guān)系，驗證了周期性光柵中的等離激元激發(fā)特性。隨后，研究了吸收率隨條形波導(dǎo)長度的變化關(guān)系，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)在670 nm波段的表面等離激元傳播長度為17.1 μm，與金-空氣界面的表面等離激元傳播長度的理論值(17.5 μm)基本吻合。通過實驗制備可見光波段的探測結(jié)構(gòu)，測得光電流與偏振角度成余弦平方關(guān)系，與仿真結(jié)果相對應(yīng)，進一步驗證了所提出的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)表面等離激元的有效探測。最后總結(jié)分析了探測結(jié)構(gòu)在探測效率方面的不足，并探討了提高探測效率的改進方案。本文提出的平面型表面等離激元探測結(jié)構(gòu)相對簡單，制備工藝與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容，有望成為未來高速、集成化的表面等離激元電路的組成部分，并為此提供理論和實驗基礎(chǔ)。