工學院材料系陳學禮教授團隊開發適用於通訊波段之矽基紅外光偵測器 榮登Nature Communications

隨著網路時代的演進與資訊科技的發展,人們每天所接受到的資訊量不斷地增加,海量般的資訊攝取儼然成為生活中不可或缺的一部分,要如何有效地傳遞與接收這龐大的光通訊波段(紅外光)訊號是極為重要的課題。現今紅外光偵測器大都利用半導體材料於該波段有良好之光吸收特性,進而吸收光產生光電轉換訊號之輸出,以作為判斷光強度變化的依據。而常用於光通訊波段紅外光偵測器之半導體材料為:鍺(Ge)、砷化鎵銦(InGaAs)等,雖然利用這些材料所製做出之光偵測器於紅外光波段具有良好的光電轉換效率,然而在使用此類型材料的過程中,往往需付出比傳統矽(Si)半導體超過十倍的材料成本與更複雜製程。而且這些材料與製程極難與現今成熟的矽半導體製程與元件作完全整合。

 

矽為現今半導製程中使用最頻繁也最便宜的ㄧ種材料,且矽半導體相對應的製程技術發展也已經非常成熟。然而,在紅外光的應用方面矽材料天生所面臨的問題即為其能隙(energy band gap)約為1.12 eV。因此,當入射光子能量低於1.12 eV時,即不會再被矽材料有效地吸收,因而嚴重的限制了矽基(Si-based)光偵測器所能偵測的波長範圍。因此,於2011年美國萊斯大學(Rice University)同時也是美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS) 與國家工程學院(National Academy of Engineering, NAE)成員的Prof. Naomi J. Halas帶領研究團隊於國際知名期刊Science上提出利用製作金屬奈米天線結構於矽基材上,利用金屬奈米天線結構所產生之表面電漿子(surface plasmon)衰逝,進而產生熱電子(hot electrons)以跨越金屬與矽基材所產生之蕭特基接面(Schottky junction)作為紅外光偵測,開啟了矽基材料運用於通訊波段紅外光偵測的一條道路。然而,此種金屬奈米天線結構所產生之侷域性表面電漿現象(localized surface plasmon resonance, LSPR)於紅外光波段性質並不夠顯著,且嚴重地受限於入射光之偏振型態,故此種金屬奈米天線結構之元件最終所呈現之光電轉換效率輸出並不理想。此外,此類型元件之製作方法大都必須仰賴製程時間長、程序複雜或成本較高的聚焦離子束(focused ion beam)或電子束微影(electron beam lithography)等方式於矽基材製做出奈米天線的金屬結構。綜觀上述問題,大幅限制了金屬奈米天線結構所組成之矽基元件的發展與運用。

 

在考量奈米天線結構所面臨之問題後,臺大材料系及國研院國家奈米元件實驗室團隊首次提出製作週期性的深溝槽狀薄層金屬結構(deep-trench/ thin metal)。如圖一所示,我們所提出的此種結構,成功地結合共振腔效果(cavity effect)與表面電漿共振(surface plasmon resonance, SPR)現象,使得結構於寬波段中皆可以吸收所入射的紅外光以產生表面電漿子衰逝;此外,此種結構更提供了大面積的金屬-矽基材所形成之接面,更可有效地收集表面電漿衰逝後所形成之熱電子,大幅地提升所輸出的光電轉換訊號。綜觀上述之優點,我們所發表的研究成果中元件光響應(responsivity)特性相較於Prof. Halas團隊2011年的研究成果已提高了數百倍之多。而於製程上,此製程可透過早已成熟的傳統I-line光學微影技術(I-line lithography)搭配簡單的乾式蝕刻與濺鍍方法,便可於矽基材上快速的製作出數百奈米尺度深溝槽狀的薄層連續金屬結構。因此,我們成功地開發出低成本且能相容於目前半導體製程的矽基紅外光偵測結構,除了可降低材料及製程所需的成本,同時又能夠突破矽基材天生的能障限制,並提供顯著提升的光電轉換特性,顯然可成為利用矽基光偵測器來偵測通訊波段紅外光的一種有效方法。

 

潛在應用:矽光子學(Silicon photonics)之目標為開發出可操控整合光電訊號之積體化矽晶片,然而受限於矽基材天生的能障限制,其中所使用之光偵測器材料多半為非矽之半導體材料,如:鍺、砷化銦鎵等,這些材料往往較貴且較難與半導體製程技術整合。因此,我們所提出的週期性的深溝槽狀薄層連續金屬結構將可取代傳統於紅外光偵測使用之材料,不但可降低製作的成本且易與矽半導體製程技術整合,以利開發出全矽基的積體化晶片。

 

此論文Nature Publishing Group已於2014年2月全球同步發布發表於Nature Communications(2014) doi:10.1038/ncomms4288。作者:林耕德1、陳學禮1、賴宇紳2、游振傑1臺大 工學院 材料科學與工程學系暨研究所、國家實驗研究院 國家奈米元件實驗室。

 

本論文作者清一色都是臺灣團隊所組成,其中包含由本校材料系培養出來的兩位博士生。透過臺大及國研院團隊協力合作,終能被Nature Communications肯定而刊登。由於國際上許多頂尖研究團隊亦密集地在研究此相關的議題,此次我們能成功發表此研究,不但解決Prof. Halas研究團隊所提出的奈米天線結構的相關問題,還開發出更簡易的製程方法,並以數百倍的增幅提升矽基元件於紅外光之光電響應效率並大幅降低製程難易度,實為對於光電半導體材料相關產業的一大助益。而於整個研究過程中,其實是辛苦且充滿挑戰的。然而,在不斷的討論、分析與分工合作下,最終獲得了良好的研究成果。這個成果同時也證明了臺灣本土培養出來的研究者在科學與工程研究上紮實、創新且具有國際競爭力。

 

特別感謝國研院國家奈米元件實驗室所提供的相關協助,有了這些設備與製程,我們所提出的元件設計理念才有辦法完整的呈現出來。此外,在透過製程設計與改良的過程中,我們確信此數百奈米尺寸結構是能夠輕易地整合進現今的矽半導體製程技術。因此,此相關研究成果我們已申請國內外相關專利,期盼未來可對於臺灣之半導體材料及光電通訊產業有所貢獻。

 

引用來源:http://host.cc.ntu.edu.tw/sec/schinfo/schinfo_asp/ShowContent.asp?num=1171&sn=12332