基于周期性光栅结构的表面等离激元探测

计吉焘，翟雨生，吴志鹏，马祥宇，穆慧惠，王琦龙

(东南大学 电子科学与工程学院 信息显示与可视化国际合作实验室，江苏 南京 210096)

1 引 言

光电集成电路(Optoelectronic Integrated Circuits，OEIC)的工作带宽远大于电子电路，拥有电子电路无法比拟的信息处理能力，能够有效解决集成电路的速率瓶颈问题。然而，受到光学衍射极限的限制，传统光学元件的有效尺寸在微米级别，难以实现高度集成化。同时，光学器件与电子器件间严重的尺寸失配，使得两者难以实现真正意义的互联。因此，如何突破传统光学器件衍射极限，实现小型化和集成化的光电互联，成为光电集成电路中亟待解决的问题[1-2]。

表面等离激元作为一种在金属/介质界面传播的电子疏密波，具有局域电场增强的特性，能够突破传统光学的衍射极限，是目前光电集成电路领域的重要发展方向之一[3-5]。以表面等离激元作为信号载体的表面等离激元器件能够有效结合纳米电子学的紧凑性与光学器件的高带宽特性，有望构建新型的高速、高集成化的光电集成电路[6-9]。表面等离激元探测器作为信号读出器件，是构建以等离激元为信号载体的光电集成电路中必不可少的部分。目前，表面等离激元的探测主要通过近场扫描显微镜、荧光成像、泄露模显微镜成像等光学观测方法实现[10-11]。然而，对于上述新型的光电集成电路而言，需要将等离激元信号有效转化为电学信号，与电学元件相集成，因而需要通过输出电信号的形式来探测表面等离激元。

由于等离激元作为信息载体在传输带宽、器件集成度上的巨大优势，等离激元探测器受到了科研人员的广泛关注，多种等离激元信号探测结构已经被提出。相关研究将表面等离激元波导与金属-半导体-金属(Metal Semicondutor Metal，MSM)探测结构相结合，利用MSM探测结构将在波导中传播的表面等离激元信号散射或近场耦合到探测结构的半导体层中，通过半导体层对等离激元信号的吸收来产生电信号。比利时鲁汶大学Pieter Neutens课题组利用Au/GaAs/Au构成的MSM探测结构，实现了对MIM表面等离激元波导中传输的等离激元的探测[13]。然而，该器件的制备过程涉及多次金属层和半导体层的沉积与外延，工艺要求较高，同时，MSM探测器与MIM波导构成的垂直型结构不利于器件与外围电路相集成。法国贝桑松大学的研究人员利用金属纳米圆盘线阵列作为光学发射天线，将入射激光耦合成表面等离激元信号，并将其传输进入金/间隙/金隧道结(MIM)的整流天线中，利用等离激元引入的电场引起隧道电流变化来探测等离激元[12]。尽管如此，MIM隧道结的制备需要多次光刻来实现，并且隧道结的间隙需要通过电迁移法控制到1 nm以内，器件的制备极其复杂并且难以控制。除了上述利用集成波导的MSM探测结构和MIM隧道结结构，还有不少研究利用二维材料如二硫化钼[14]、石墨烯[15]等与金属纳米线相结合实现对表面等离激元的探测。尽管二维材料具有较高的载流子迁移率，在一定程度上能够提高响应速度及载流子的输运效率，但二维材料与金属纳米线形成的探测结构的均一性无法保证，并且其对准工艺要求严苛，难以与CMOS工艺兼容。

综上所述，上述三种探测结构尽管都从原理验证角度实现了对等离激元信号的探测，但是由于器件结构和制备工艺的复杂性，无法与现有的硅基电子电路相结合，充分发挥等离激元在信号传输和数据处理中的优势。因此，设计CMOS工艺兼容的、易于制备的新型表面等离激元探测结构是急需解决的问题之一。

周期性金属光栅由于结构简单、耦合效率高、易于制备、共振波长可调节等特点，被广泛应用于表面等离激元的耦合与散射。本文设计并制备了一种基于周期性光栅的平面型表面等离激元探测结构，利用耦合光栅、条形波导以及探测光栅结构分别激发、传输和探测表面等离激元。首先，通过优化耦合光栅、探测光栅以及波导的相关结构参数，得到了在可见光及光通信波段的等离激元探测模型。然后，利用微纳加工工艺制备了可见光波段的探测结构，通过实验验证上述仿真模型的正确性。所提出的平面型表面等离激元探测器结构简单，制备工艺与传统CMOS工艺兼容，为表面等离激元探测器的制备及结构优化提供了可靠的依据。

2 基于周期性光栅的探测结构模型

2.1 可见光波段探测模型设置

基于周期性光栅的表面等离激元探测结构如图1(a)所示，其中一端为耦合光栅，另一端为探测光栅，中间通过条形波导相连接，基底材料为硅。本文采取二维模拟，即对探测结构的x-z平面进行仿真，结构如图1(b)所示。在可见光波段(670 nm)，耦合光栅模型参数设置如下：周期P=630 nm，光栅宽度W=300 nm，厚度t=80 nm；波导结构为条形金波导，长度L=5 μm，厚度t=80 nm；探测光栅的周期p=600 nm，宽度w=300 nm，厚度t=80 nm。采用全场散射场光源(TFSF)作为入射光源，光源波长为400～1 000 nm，沿z轴负轴方向入射，偏振方向为x轴方向。仿真区域中x轴、z轴边界条件均设置为完美吸收边界条件，网格精度为5 nm。功率监视器的位置如图1(b)中的虚线所示，其中，耦合效率为η的监视器设置在耦合光栅与条型波导的交接处，方向沿z轴；吸收率为η的监视器位于探测光栅与硅基底的界面处，方向沿x轴，由波导末端至探测光栅末端，计算由探测光栅引起的散射进入硅基底的光功率。模型中材料Au和Si分别采用Johnson and Christy 实验所得结果和Palik实验所得结果[16-17]。

(a)三维探测结构示意图 (a)Schematic diagram of three-dimensional detection structure

(b)二维仿真结构示意图 (b)Two-dimensional simulation structure图1 等离激元探测结构的仿真模型Fig.1 Simulation model for surface plasmons detection

2.2 可见光波段探测模型的工作原理

耦合光栅是常见的表面等离激元激发结构，用于补偿表面等离激元与入射光之间的波矢失配，其耦合条件可以表示为：

(1)

其中：kspp为表面等离激元波矢，k0为介质中光的波矢，P为光栅周期，m为衍射级，λ0为真空中入射光的波长，ni为介质的折射率，εd和εm分别为介质和金属的介电常数，θ为入射光的角度。

在所设计的表面等离激元探测结构中，耦合光栅补偿入射光与金-空气界面表面等离激元间的波矢失配，将入射光耦合成在条形波导上传输的表面等离激元，在此定义传输到条形波导中的光功率与入射光功率的比值为光栅的耦合效率η。图2(a)为不同入射光波长条件下的耦合效率，当入射波长为670 nm时，耦合效率达到最高值7.8%。图2(a)中的插图表明，电场集中在金光栅-空气界面，并且电场强度沿垂直界面的方向指数衰减，表明耦合光栅激发了金-空气界面的表面等离激元。图2(b)展示了在670 nm入射条件下，波导末端及探测光栅处的电场强度分布。当被激发的表面等离激元沿着条形波导在金-空气界面传输到波导末端时，由于波矢失配，表面等离激元被探测光栅重新解耦成自由空间的光，以光子的形式向外散射。如图2(c)所示(彩图见期刊电子版)，其中一部分被散射进入空气中(绿色箭头)，另一部分被散射进入硅基底中(蓝色箭头)。由于入射光的工作波长为670 nm，因此被散射进入基底的光直接被硅基底吸收，从而形成电子-空穴对。当在探测光栅上间隔地施加正负偏压，即探测光栅以如图2(c)的叉指电极形式作为探测结构，所产生的电子-空穴对在外加电场的作用下能够被迅速分离，并由两端的金电极有效收集，从而产生光电流信号，实现对表面等离激元的电学探测。图2(d)为探测光栅中一组电极的能带结构示意图，描绘了散射进入基底的光被硅吸收，产生电子空穴对并被两端金电极收集的过程。

需要指出的是，利用时域有限差分法对上述探测结构进行仿真计算时，主要研究探测结构的光学特性，因而定义由探测光栅引起的散射进入硅基底的光功率与入射光功率的比值为等离激元的吸收率γ，以η作为衡量该结构探测性能的参数。图2(a)中的空心方形曲线代表等离激元的吸收率，其变化趋势与耦合效率一致，吸收率在670 nm处达到最高值4.3%。

(a)耦合效率及吸收率，插图：670 nm入射条件下耦合光栅处的电场强度分布

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

(b)波导末端及探测光栅处的电场强度分布

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

(c)探测光栅探测原理示意图 (c)Operating principle of detecting grating

(d)探测光栅能带结构示意图 (d)Band diagram of detecting grating图2 670 nm波段仿真结果Fig.2 Simulation results at 670 nm

2.3 光通信波段探测模型

针对工作在光通信波段(1 310 nm和1 550 nm)的仿真模型，根据周期性光栅激发条件方程(1)设计了相应的探测结构，具体结构参数如表1所示。采用全场散射场光源，波长为800～1 800 nm，沿z轴负轴方向入射，偏振方向为x轴方向。考虑到硅基底无法吸收在通信波段被散射的表面等离激元，将基底材料替换为锗，材料参数采用Palik实验所得结果，其余仿真设置均与可见光波段一致。图3所示为基于上述结构参数的光通信波段探测结构对应的耦合效率及吸收率曲线。该结构在1 310 nm和1 550 nm处的耦合效率分别达到4.5%和3.7%，对应的吸收率分别为3.2%和3.5%。因此，通过改变耦合光栅、探测光栅的结构参数以及基底材料，能够将上述探测结构的工作波长调节到1 310和1 550 nm处，这为光通信波段的表面等离激元探测提供了一定的理论基础。

表1 光通信波段探测模型的结构参数

图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 仿真结果与分析

3.1 不同入射偏振条件下的耦合效率及吸收率

在周期性金属光栅结构中，表面等离激元的激发效率强烈依赖于入射光的偏振角度，因而根据入射线偏振光的偏振角度来研究光栅耦合效率及吸收率的变化，可以验证上述探测结构能否有效激发并探测表面等离激元。本节基于2.1节所述的可见光波段的表面等离激元探测模型，通过改变入射光偏振角度，得到如图4所示的耦合效率及吸收率的变化。在670 nm入射条件下，当入射光偏振方向与耦合光栅周期方向相垂直时(90°/270°)，耦合效率达到最高，为7.8%；当偏振方向与光栅周期方向平行时(0°/180°)，此时无法激发表面等离激元，耦合效率几乎为零。经过数据拟合，耦合光栅的耦合效率与入射光偏振角度成余弦平方关系，这与周期性光栅中表面等离激元的激发条件相吻合，表明该结构中耦合光栅能够有效激发表面等离激元。探测光栅处的吸收率最高能够达到4.3%，它随偏振角度的变化趋势与耦合效率保持一致，证明了所提出的探测结构能够有效探测耦合光栅处激发的表面等离激元。

图4 耦合效率、吸收率随入射光偏振角度的变化关系

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

3.2 不同波导长度条件下的吸收率变化

为了进一步验证该探测结构的有效性，同时探究该结构中表面等离激元的传输损耗特性，本节内容根据2.1节可见光波段的探测模型，在仿真过程中固定耦合光栅和探测光栅的结构参数，通过改变条形波导长度研究探测光栅处的吸收率变化。如图5所示，在670 nm入射条件下，探测结构的吸收率随波导长度的增加呈指数衰减。而表面等离激元随传输距离的衰减可以表示为：

(2)

其中：x为表面等离激元的传输距离，Lspp为表面等离激元的传播长度，P0和Px分别为传输距离为0和x时对应的表面等离激元能量。

图5 不同波导长度对应的吸收率Fig.5 Absorption efficiency corresponding to different waveguide lengths

由于吸收率γ的衰减对应金-空气界面表面等离激元的传输损耗，因而将吸收率γ随传输距离的衰减根据方程(2)进行拟合，得到等离激元的传播长度Lspp为17.1 μm。

理论上，表面等离激元的传播长度可以表示为[18]：

(3)

4 实 验

为验证上述仿真结果的正确性，本文围绕可见光波段的仿真模型，利用电子束曝光工艺制备了工作在670 nm的探测结构。具体结构参数如下：耦合光栅周期P=630 nm，宽度W=300 nm，厚度t=80 nm；波导结构为锥形金波导，长度L=5 μm，厚度t=80 nm；探测光栅周期p=600 nm，宽度w=300 nm，厚度t=80 nm。

考虑到实际的入射光斑面积，在不影响耦合效率的前提下，实验制备过程中扩大了耦合光栅的面积，对应地增加了波导上半部分宽度。为了保持探测光栅面积尺寸不变，波导下半部分宽度维持不变，因此波导结构是图7(a)插图所示的锥形结构，其余结构参数均与仿真结构相同。探测光栅制备成叉指电极结构，在表面等离激元探测过程中有双重作用，一方面，探测光栅作为散射结构，能够将表面等离激元重新解耦成自由空间的光，使它以光子的形式向硅基底散射；另一方面，探测光栅作为叉指电极能够有效收集硅基底吸收表面等离激元之后产生的载流子，从而形成光电流信号。

具体制备流程如图6(a)所示，首先选用N型轻掺杂单抛硅片作为基底，经超声清洗后在硅片上旋涂光刻胶，随后利用电子束对样品进行图案化曝光；光刻完成后，将样品放入显影液中进行显影；然后，利用真空热蒸镀工艺在样品上蒸镀厚度为80 nm的金薄膜；最后，将样品放入丙酮溶液中剥离残余的光刻胶，制备得到所需的等离激元探测结构。

(a)电子束曝光工艺 (a)Electron beam lithography process

(b)光电测试系统 (b)Photoelectric measuring system图6 实验制备流程及测试系统示意图Fig.6 Schematic diagram of preparation process and measuring system

样品制备完成后，利用如图6(b)的微区光电测试系统对探测结构的光电性能进行测试。入射光源是波长为670 nm的激光光源，经过准直光路后，由50倍的聚焦物镜聚焦到耦合光栅上。同时，利用Keithley 2400型多功能数字源表在叉指电极两端施加偏压，并测量叉指电极两端产生的光电流信号，从而探测耦合光栅处激发的表面等离激元。测试过程中，在光路中添加偏振片和半波片来控制入射激光的偏振角度。

图7(a)左上角的插图是制备的探测结构的SEM表征图，图7(a)为暗态条件下探测光栅的伏安特性曲线，呈现出双肖特基结的线型，表明叉指电极能够起到有效的探测功能。由于探测光栅中叉指电极的间距较小，过高的偏压容易烧毁叉指电极，因此在实验测试过程中在叉指电极两端施加较低的偏压，为-1 mV。图7(b)所示为在6.63 μW，670 nm的入射光照条件下测试得到的光电流随入射光偏振角度的变化关系。当入射光偏振方向与光栅周期方向相垂直时(90°/270°)，光电流达到最高；当偏振方向与光栅周期方向平行时(0°/180°)，光电流最小。通过拟合曲线可以发现，光电流与入射光偏振角度呈余弦平方关系，该趋势与图4中的吸收率变化趋势相吻合。因此，可见光波段探测结构的实验结果进一步证实了利用上述结构探测表面等离激元的可行性。

为进一步表征所制备的探测结构的光电性能，实验测试了在-1 mV偏压，入射光偏振方向与光栅周期方向相垂直条件下(90°/270°)，不同功率的670 nm入射光引起的光电流变化，结果如图7(c)所示。入射光功率在1.23～48.3 μW，探测结构表现出良好的线性度。根据图7(c)中光电流与入射光功率的线性关系，可以计算出该探测结构的响应度约为1.90 mA/W。

(a)暗态电流-电压特性曲线，插图：探测结构SEM形貌图

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

(b)-1 mV偏压，6.63 μW，670 nm的入射光照条件下，光电流随入射光偏振角度的变化

(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偏压下不同入射光功率条件下的光电流 (c)Photocurrent under different incident powers with bias voltage of -1 mV图7 探测结构光电特性测试结果Fig.7 Photoelectric properties of detection structure

上述实验结果表明，所提出的探测结构能够有效控测由耦合光栅激发的表面等离激元。然而，仿真计算得到的探测效率和实验测得的响应度均较低，与传统的光电探测器存在一定差距，其原因可以分为以下三点：一是表面等离激元的耦合效率偏低；二是表面等离激元在金属-空气界面固有的高传输损耗，致使最终的探测效率较低；三是在波导上传输的表面等离激元被探测光栅解耦后，有一部分以光子的形式散射到自由空间中，无法被硅基底吸收形成光电流，造成了一定的损耗。因此，在后续研究中，可以通过改进耦合光栅结构或设计单向耦合结构来提高表面等离激元的耦合效率；设计制备低损耗的长程表面等离激元波导，以降低传输过程中的损耗；优化探测光栅结构参数或在探测光栅底部添加金属反射层，以提高表面等离激元的吸收率。从耦合效率、传输损耗和吸收效率三方面提升表面等离激元探测器的探测效率.

5 结 论

本文提出了一种基于周期性光栅的平面型表面等离激元探测结构。首先，利用二维时域有限差分方法设计了工作在可见光波段(670 nm)和光通信波段(1 310 nm和1 550 nm)的仿真模型，并通过改变入射光的偏振角度，得到耦合光栅的耦合效率与偏振角度成余弦平方关系，验证了周期性光栅中的等离激元激发特性。随后，研究了吸收率随条形波导长度的变化关系，结果表明该结构在670 nm波段的表面等离激元传播长度为17.1 μm，与金-空气界面的表面等离激元传播长度的理论值(17.5 μm)基本吻合。通过实验制备可见光波段的探测结构，测得光电流与偏振角度成余弦平方关系，与仿真结果相对应，进一步验证了所提出的结构能够实现表面等离激元的有效探测。最后总结分析了探测结构在探测效率方面的不足，并探讨了提高探测效率的改进方案。本文提出的平面型表面等离激元探测结构相对简单，制备工艺与传统CMOS工艺兼容，有望成为未来高速、集成化的表面等离激元电路的组成部分，并为此提供理论和实验基础。