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Interfacial Defect-Mediated Near-Infrared Silicon Photodetection with Metal Oxides.
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2019-12-04 , DOI: 10.1021/acsami.9b14953 Jongbum Kim 1 , Lisa J Krayer , Joseph L Garrett , Jeremy N Munday 1
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2019-12-04 , DOI: 10.1021/acsami.9b14953 Jongbum Kim 1 , Lisa J Krayer , Joseph L Garrett , Jeremy N Munday 1
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Due to recent breakthroughs in silicon photonics, sub-band-gap photodetection in silicon (Si) has become vital to the development of next-generation integrated photonic devices for telecommunication systems. In particular, photodetection in Si using complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) compatible materials is in high demand for cost-effective integration. Here, we achieve broad-band near-infrared photodetection in Si/metal-oxide Schottky junctions where the photocurrent is generated from interface defects induced by aluminum-doped zinc oxide (AZO) films deposited on a Si substrate. The combination of photoexcited carrier generation from both interface defect states and intrinsic Si bulk defect states contributes to a photoresponse of 1 mA/W at 1325 nm and 0.22 mA/W at 1550 nm with zero-biasing. From a fit to the Fowler equation for photoemission, we quantitatively determine the individual contributions from these effects. Finally, using this analysis, we demonstrate a gold-nanoparticle-coated photodiode that has three distinct photocurrent responses resulting from hot carriers in the gold, interface defects from the AZO, and bulk defects within the Si. The hot carrier response is found to dominate near the band gap of Si, while the interface defects dominate for longer wavelengths.
中文翻译：
界面缺陷介导的金属氧化物近红外硅光电探测。
由于硅光子技术的最新突破，硅（Si）中的子带隙光电检测对于开发用于电信系统的下一代集成光子器件至关重要。尤其是，对于具有成本效益的集成，对使用互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容材料的Si中的光电检测有很高的要求。在这里，我们在Si /金属氧化物肖特基结中实现了宽带近红外光电检测，其中光电流是由沉积在Si基板上的铝掺杂氧化锌（AZO）膜引起的界面缺陷产生的。从界面缺陷状态和本征Si本体缺陷状态产生的光激发载流子的组合有助于在零偏压下在1325 nm处产生1 mA / W和在1550 nm处产生0.22 mA / W的光响应。通过对光发射的Fowler方程进行拟合，我们从这些效应中定量确定了各个贡献。最后，使用此分析，我们证明了金纳米粒子涂层光电二极管具有三个不同的光电流响应，这些响应是由金中的热载流子，AZO的界面缺陷和Si的体缺陷引起的。发现热载流子响应在Si的带隙附近占主导地位，而界面缺陷在更长的波长中占主导地位。
更新日期：2019-12-05
中文翻译：
界面缺陷介导的金属氧化物近红外硅光电探测。
由于硅光子技术的最新突破，硅（Si）中的子带隙光电检测对于开发用于电信系统的下一代集成光子器件至关重要。尤其是，对于具有成本效益的集成，对使用互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容材料的Si中的光电检测有很高的要求。在这里，我们在Si /金属氧化物肖特基结中实现了宽带近红外光电检测，其中光电流是由沉积在Si基板上的铝掺杂氧化锌（AZO）膜引起的界面缺陷产生的。从界面缺陷状态和本征Si本体缺陷状态产生的光激发载流子的组合有助于在零偏压下在1325 nm处产生1 mA / W和在1550 nm处产生0.22 mA / W的光响应。通过对光发射的Fowler方程进行拟合，我们从这些效应中定量确定了各个贡献。最后，使用此分析，我们证明了金纳米粒子涂层光电二极管具有三个不同的光电流响应，这些响应是由金中的热载流子，AZO的界面缺陷和Si的体缺陷引起的。发现热载流子响应在Si的带隙附近占主导地位，而界面缺陷在更长的波长中占主导地位。
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