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Silicon-Based Embedded Trenches of Active Antennas for High-Responsivity Omnidirectional Photodetection at Telecommunication Wavelengths

材料科学 响应度 光电子学 全向天线 光探测 光电探测器 等离子体子 光学 光电二极管 光子学 半导体 波长 天线(收音机) 物理 电信 计算机科学
作者
Keng‐Te Lin,Chih-Jie Chan,Yu-Sheng Lai,Lung-Tai Shiu,Ching-Che Lin,Hsuen‐Li Chen
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (3): 3150-3159 被引量:33
标识
DOI:10.1021/acsami.8b15914
摘要

Although the use of plasmonic nanostructures for photodetection below the band gap energy of the semiconductor has been intensively investigated recently, efficiencies of such hot electron-based devices have, unfortunately, remained low because of the inevitable energy loss of the hot electrons as they move and transfer in active antennas based on metallic nanostructures. In this work, we demonstrate the concept of high-refractive-index material-embedded trench-like (ETL) active antennas that could be used to achieve almost 100% absorbance within the ultrashallow region (approximately 10 nm) beneath the metal–semiconductor interface, which is a much smaller distance compared with the hot electrons’ mean free path in the noble metal layer. Taking advantage of these ETL-based active antennas, we obtained photoresponsivities under zero bias at wavelengths of 1310 and 1550 nm of 5854 and 693 nA mW –1, respectively—values higher than most those previously reported for active antenna-based silicon (Si) photodetectors that operate at optical telecommunication wavelengths. Furthermore, the ETL antenna strategy allowed us to preserve an omnidirectional and broadband photoresponse, with a superior degree of detection linearity of R 2 = 0.98889 under the light of low power density (down to 11.1 μW cm –2 ). The photoresponses of the ETL antenna-based device varied by less than 10% upon changing the incident angle from normal incidence to 60°. Because these ETL-based devices provide high responsivity and omnidirectional detection over a broad bandwidth, they show promising potentials for use in hot electron-based optoelectronics for many applications (e.g., Si photonics, energy harvesting, photocatalysis, and sensing devices).
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