Nowadays, an industrial requirement of ultra-fast optical interconnects has been set out for silicon photonics’ technology, as metallic wire-based electrical interconnects face severe challenges including substantial loss, crosstalk and power dissipation in advanced CMOS technology nodes. An essential component for optical interconnections is scalable high-speed photodetectors as the receivers that can be integrated on the chip. Miniaturization of the semiconductor photodetector would dramatically enhance its bandwidth, but at the cost of responsivity due to a shortened absorption length. This so-called efficiency-speed trade-off is an obstacle for combining the compactness of an electronic circuit with the bandwidth of a photonic network. Although, very fast photodetectors based on group III-V materials have been reported, their integration into mature Si platform technology is a major challenge for large-scale implementation. Thus, from the material side, germanium is an obvious choice for the realization of a high-bandwidth on-chip photodetector, since it provides high charge carrier mobility, compatibility with CMOS technology and a small bandgap covering the established telecommunication C-band.Further advances in addressing the bandwidth-quantum efficiency trade-off may rely on plasmonics, which can concentrate electromagnetic energy well below the diffraction limit, into structures as small as a few tens of nanometers. Plasmon assisted metal/semiconductor hybrid devices have proven to be particularly suitable for this purpose. Such devices use ultimately hot charge carriers, arising from non-radiative plasmon decay at the metal/semiconductor interface, to directly generate a detectable current. Self-powered hot-carrier photodetectors, which have the capability of generating a net photocurrent at zero bias are of particular interest in order to reduce the power consumption of the overall optical link. However, without detailed understanding of the underlying mechanisms of plasmon-induced hot carriers transfer and transport dynamics at the metal-semiconductor interface, proper material matching and design considerations are extremely challenging. Here, monolithic metal-semiconductor-metal heterostructures, involving Al-Ge-Al or Al-Si-Al, are employed as a research platform. The fabrication of such monolithic metal-semiconductor heterostructures, with atomically sharp interfaces, could be achieved by a process we developed based on a thermally induced solid-state exchange reaction. Light absorption, surface plasmon generation and separation of hot charge carriers arising from the non-radiative decay of surface plasmons is realized in a monolithic Schottky barrier field effect transistor. Such electrostatic gated heterojunction devices enable to tune the effective barrier height at the abrupt metal-semiconductor interface to control the plasmon-induced hot carrier injection. Further the monolithic Al leads perform a dual function and simultaneously carry both optical and electrical signals, giving rise to exciting new capabilities. Aluminum have been chosen as it is CMOS compatible and is excellent for plasmonics, because of its broad response spectrum from ultraviolet to infrared, and a self-limiting native oxide layer protecting the metal surface.For such devices some novel physical phenomena related to the dynamics of hot carriers inside the germanium channel are demonstrated, including negative photoconductivity and detectors with superlinear responsivity. An ultra-scaled prototype device with a deep-sub-micrometer scaled Ge channel comprises in effect a hot-carrier photodetector with a ballistic carrier transport, enabling a bandwidth of 50 GHz at 1560 nm at notably zero bias. Using an Al-Si-Al device with splitgate architecture, effective charge separation of the plasmonically injected hot charge carriers could be demonstrated for the first time, thus demonstrating a function comparable to that of an on-chip photovoltaic device.
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Aktuell wir intensiv an ultraschnellen optischen Signalleitungen geforscht, da die Metallisierung fortgeschrittener CMOS-Technologieknoten zunehmend mit erheblichen Verlusten und der Problematik des Übersprechens konfrontiert ist. Eine Schlüsselkomponente für optische Signalleitung sind skalierbare Hochgeschwindigkeits-Photodetektoren als Empfänger, die auf dem Chip integriert werden können. Die Miniaturisierung eines Halbleiterphotodetektors würde seine Bandbreite drastisch erhöhen, allerdings auf Kosten der Empfindlichkeit aufgrund der einhergehenden Verkürzung der Absorptionslänge. Dieser so genannte Effizienz-Geschwindigkeits-Kompromiss erschwert die Kombination der Kompaktheit elektronischer Schaltungen mit der großen Bandbreite eines photonischen Netzwerks. Obwohl bereits sehr schnelle Photodetektoren auf der Basis von III-V-Materialien entwickelt wurden, stellt deren Integration in die ausgereifte Siliziumtechnologie eine große Herausforderung für die technische Umsetzung dar. Von der Materialseite her ist für die Realisierung eines On-Chip-Photodetektors mit hoher Bandbreite besonders Germanium geeignet, da es eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit, CMOS-Kompatibilität und eine kleine Bandlücke aufweist, die das etablierte C-Band der Telekommunikation abdeckt. Für die Kombination von Bandbreite und Quanteneffizienz erweist sich Plasmonik als nützlich, da hierbei elektromagnetische Energie in nur einige zehn Nanometer große Strukturen konzentrieren werden kann, also weit unterhalb der Beugungsgrenze des Lichts. Plasmonische Metall-Halbleiter-Hybridbauelemente haben sich für diesen Zweck als besonders geeignet erwiesen. Solche Bauelemente nutzen letztlich die heißen Ladungsträger, die beim nicht-strahlenden Plasmonenzerfall an der Metall/Halbleiter-Grenzfläche entstehen. Sogenannte Hot-Carrier-Photodetektoren, die in der Lage sind, bei Nullvorspannung einen Nettophotostrom zu erzeugen, sind dabei von besonderem Interesse, um den Stromverbrauch der gesamten optischen Signalverarbeitung zu verringern. Ohne ein detailliertes Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen des plasmoneninduzierten Transfers von heißen Ladungsträgern und der Transportdynamik an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche sind die richtige Materialanpassung und Designüberlegungen der entsprechenden Bauteile jedoch eine große Herausforderung. In dieser Arbeit wurden monolithische Metall-Halbleiter-Metall-Heterostrukturen mit Al-Ge-Al oder Al-Si-Al als Forschungsplattform eingeführt. Die Herstellung solcher monolithischer Metal-Halbleiterheterostrukturen mit atomar scharfen Grenzflächen konnte durch einen von uns entwickelten Prozess erreicht werden der auf einer thermisch induzierten Festkörperaustauschreaktion beruht. Die Lichtabsorption, die Erzeugung von Oberflächenplasmonen und die Detektion der heißen Ladungsträgern, die durch den nicht-strahlenden Zerfall von Oberflächenplasmonen entstehen, werden in einem monolithischen Schottky-Barrieren-Feldeffekttransistor realisiert. Diese ermöglichen es, die effektive Barrierenhöhe an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche einzustellen, und damit die plasmoneninduzierte Injektion heißer Ladungsträger zu steuern. Darüber hinaus erfüllen die monolithischen Al-Metallisierung eine Doppelfunktion und leiten gleichzeitig optische und elektrische Signale, was zu interessanten neuen Möglichkeiten führte. Aluminium wurde verwendet da es CMOS-kompatibel ist und sich aufgrund seines breiten Einsatzspektrums von Ultraviolett bis Infrarot sowie einer selbstbegrenzenden nativen Oxidschicht zum Schutz der Metalloberfläche hervorragend für die Plasmonik eignet. Für solche Bauelemente wurden einige neuartige physikalische Phänomene im Zusammenhang mit der Dynamik heißer Ladungsträger im Germaniumkanal nachgewiesen, darunter negative Photoleitfähigkeit und Detektoren mit superlinearer Empfindlichkeit. Ein ultraskalierter Prototyp mit einem Ge-Kanal im Submikrometerbereich erwies sichals Hot-Carrier-Photodetektor mit ballistischem Ladungsträgertransport, der eine Bandbreite von 50 GHz bei 1560 nm und Nullvorspannung ermöglicht. Unter Verwendung eines Al-Si-Al-Bauelements mit Splitgate-Architektur konnte erstmals eine effektive Ladungstrennung der plasmonisch injizierten heißen Ladungsträger demonstriert werden und damit eine Funktion, die mit der eines On-Chip-Photovoltaik-Bauelements vergleichbar ist.
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Zusammenfassung in deutscher Sprache Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
