Оптические свойства пленок ZnO, легированных алюминием, в инфракрасной области и их применения для поглощения

Фон

Плазмоника [1] и метаматериалы [2] привлекают большое внимание в последние десятилетия. Были представлены многие нетрадиционные функции, такие как материалы с отрицательным показателем преломления [3], субдифракционная визуализация [4] и плащи-невидимки [5], которые традиционно использовали благородные металлы в качестве основных плазмонных строительных блоков оптических метаматериалов [6]. По сравнению с благородными металлами, сильно легированные полупроводники, такие как оксид цинка, легированный алюминием (AZO) [7] и нитрид титана (TiN) [8], в последнее время играют более важную роль в плазмонике и применениях метаматериалов из-за их настраиваемого свободного носителя. концентрации. Плотность легирования [8], атмосфера роста и температура роста или отжига [9] были обычными методами регулирования свойств сильно легированных полупроводников. Как сильно легированный полупроводник с широкой запрещенной зоной, AZO представляет собой настраиваемый плазмонный материал с низкими потерями, способный поддерживать высокие концентрации примеси, и он играет важную роль в плазмонных структурах [10]. Например, система материалов, такая как оксид цинка (ZnO) и AZO, имеет очевидное преимущество в результате эпитаксиальной и сверхрешеточной конструкции структуры устройства, которая может снизить потери на границах раздела слоев и, таким образом, дополнительно повысить производительность устройства [ 11,12,13,14,15,16]. Хотя многие статьи [17, 18] были сосредоточены на свойствах AZO в видимой или ближней инфракрасной области, только некоторые из них были сосредоточены на инфракрасных свойствах AZO, которые влияют на реалистичные приложения. Недавно Uprety et al. [19] обсудили оптические свойства объемного AZO с помощью моделирования рекомбинационной модели спектроскопической эллипсометрии (SE). Симуляция была общей, но не быстрой и удобной. В этой статье мы рассчитали диэлектрическую проницаемость тонких пленок AZO в диапазоне от 210 до 5000 нм с помощью точечного анализа [20], расчета, зависящего от моделирования первичного SE, который является быстрым и точным методом. Кроме того, мы обсудили причины зависящих от толщины свойств тонких пленок AZO в видимом и инфракрасном диапазонах с двумя различными механизмами, соответственно. Также была продемонстрирована зависимость ширины запрещенной зоны и эффективной плазменной частоты AZO от толщины. Мы обнаружили, что эффективной плазменной частоты не существует при малой толщине (<25 нм) в инфракрасной области. Кроме того, мы использовали решения с конечной разницей во временной области (FDTD) для разработки массивов из двух пустотных цилиндров на основе альтернативных слоев AZO, которые продемонстрировали почти идеальное поглощение в широкополосном инфракрасном диапазоне.

Методы

Поскольку существующее осаждение атомных слоев (ALD) демонстрирует сверхвысокое соответствие и совместимость с обработкой полупроводников [21], это мощный инструмент для нанесения плазмонных материалов с точно контролируемой толщиной. Тонкие пленки AZO были нанесены на Si p-типа (100) путем чередования диэтилцинка (Zn (CH ₂ Канал ₃ ) ₂ , ДЭЗ; Al (CH ₃ ) ₃ , ТМА) и деионизированной воды (H ₂ O) в реакторе ALD (Picosun) при 190 ° C. Типичный цикл ALD для AZO состоял из 14 одиночных циклов ZnO и 1 одиночного цикла Al-O, в то время как одиночный цикл ZnO или Al-O состоял из 0,1 с DEZ или импульса TMA, 5 с N ₂ продувка, 0,1 с H ₂ Импульс O и 5 с N ₂ очистить согласно нашим предыдущим отчетам [22,23,24]. Механизм ZnO ALD - это химическая реакция парофазного осаждения.

В цикле ALD есть две реакции.

И легирование Al аналогично, где цикл Zn:Al составляет 14:1.

где * указывает на поверхностный вид.

Здесь толщина тонких пленок AZO варьировалась путем управления циклами ALD. Было три типа выборок:150, 300 и 450 циклов (здесь мы использовали основной единичный цикл в качестве единицы измерения). Толщины и оптические свойства ультратонких пленок ZnO были получены с помощью спектроскопического эллипсометра (J.A. Woollam, США). Угол падения составлял 65 °, а длина волны находилась в диапазоне от 210 до 1000 нм, от 1000 до 2000 нм и от 2000 до 5000 нм. Отражение и пропускание пленок AZO получали с помощью измерений инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR). Картины дифракции рентгеновских лучей (XRD) предполагают, что оптические свойства меняются с толщиной пленок AZO.

Результаты и обсуждения

Оптические свойства пленок AZO в видимой и инфракрасной широкополосной связи

Из-за низкой поверхностной шероховатости методом ALD для описания тонких пленок AZO была использована модель монослоя [10]. Тогда показатель преломления n , коэффициент экстинкции k и толщина d полученных тонких пленок AZO были получены путем измерения SE. Во время измерения SE [25, 26] эллиптически поляризованный свет, несущий информацию о материале после отражения от пленок AZO, был обнаружен эллипсометром. Длина волны падающего света находилась в диапазоне 210–5000 нм. Есть два параметра измерения, полученные из поляризованного света, т. Е. Отношение амплитуд ( Ψ ) и фазовый сдвиг ( Δ ), которые определялись эллипсометрическим соотношением ρ как [27]:

Здесь r _p и r _s - комплексные коэффициенты отражения поляризованного света параллельно и перпендикулярно плоскости падения соответственно. Для фитингов SE, среднеквадратичная ошибка (RMSE) минимизирована для получения точной подгонки:

Здесь x - количество точек данных в спектре, y - количество переменных параметров в модели, а «exp» и «cal» представляют экспериментальные и расчетные данные соответственно [28]. В предыдущем отчете [22] мы использовали модель дисперсии Форухи-Блумера (F-B) для подбора параметров эллипсометрии ZnO в области 300–800 нм. Однако из-за металлических свойств AZO модель F-B не подходит для пленок AZO во всем спектре от 200 до 5000 нм, которая является моделью только для одноэлектронного перехода [29]. Учитывая прозрачность и металличность AZO, модель Коши подходит для спектра 400–800 нм, а модель Друде-Лоренца подходит для инфракрасного диапазона (1500–5000 нм) [7, 17]. Мы получили толщину и начальные параметры n и k тонких пленок AZO от самого низкого RMSE данных моделирования, как показано в таблице 1, где результаты SEM согласуются с моделированием SE. Кроме того, для расчета n и k на всей длине волны, и результаты представлены на рис. 1. Есть две области n и k , которые разделяются переключением рабочего диапазона ЧЭ. Кроме того, результаты подгонки можно разделить на две области:видимую область и инфракрасную область. В видимой области (210–800 нм) значение n и k AZO был приблизительно равен ZnO из-за низкого содержания Al. n и k в видимой области указывают на обычные свойства полупроводника. Значение k близка к нулю в видимом диапазоне и n зависит от толщины. Здесь зависимость от толщины объясняется межфазным эффектом [22], который играет важную роль в тонких пленках. Для кремниевой подложки интерфейсный эффект приводит к более низкой диэлектрической проницаемости более тонких пленок AZO в видимом диапазоне. Однако тенденция n и k меняли в инфракрасной области (800–5000 нм). С увеличением длины волны k увеличился с нуля, что является огромной разницей между AZO и ZnO. Увеличение k указывает на увеличение поглощения пленки, и пленка AZO не может использоваться в качестве прозрачного диэлектрического материала в инфракрасном диапазоне. Есть металлические свойства AZO в инфракрасной области, которая является не только полупроводником, но и металлическим материалом в инфракрасной области. Более того, измерение Холла показало, что концентрация AZO в наливном носителе составляла приблизительно 1,9 × 10 ²¹ / см ³ . Высокая концентрация указывает на наличие свободных электронов из-за примеси алюминия. В инфракрасном диапазоне показана обратная зависимость толщины. Механизм зависимости толщины в инфракрасной области неодинаков. Эффект границы раздела остается, но влияние больше не имеет значения из-за более узких различий в диэлектрической проницаемости между AZO и пограничным слоем, в то время как диэлектрическая проницаемость AZO в инфракрасной области мала. Предполагается, что на диэлектрическую проницаемость AZO также влияет кристалличность, зависящая от толщины, которая влияет на поляризацию тонких пленок AZO.

Показатель преломления ( n ) и коэффициент ослабления ( k ) моделировались точечным анализом с использованием данных измерений SE

Кроме того, линейная экстраполяция к ( αE ) ² =0 использовалось на краю поглощения для получения ширины запрещенной зоны пленок AZO на рис. 2, где α коэффициент поглощения ( α =4 πk / λ ) и E - энергия фотона [28]. Высокая энергия края поглощения AZO является результатом эффекта экранирования свободных электронов [16], который подавляет экситонное поглощение. Таблица на рис. 2 показывает сдвиг запрещенной зоны (Eg) AZO в синий цвет с 3,62 до 3,72 эВ.

Ширина запрещенной зоны (Eg) пленок AZO путем линейной экстраполяции, где α коэффициент поглощения ( α =4 πk / λ ) и E это энергия фотона

Кроме того, XRD должен был измерить кристалличность пленок AZO. На рис. 3 представлены рентгенограммы тонких пленок AZO разной толщины. По сравнению с пленками ZnO пленки AZO не очень кристаллографические из-за легирования Al. Очевидным кристаллическим пиком является (100) в образце с 450 циклами, который представляет собой гексагональную вюрцитную фазу поликристаллического ZnO ​​[30, 31]. Термический отжиг действительно влияет на кристаллические свойства, и это обсуждалось в других работах [7, 9, 10, 22, 32]. Кристалличность, зависящая от толщины, может быть использована для объяснения результатов SE. Более высокая кристалличность означает меньшее количество дефектов решетки, а также напряжения и деформации пленки, что способствует синему смещению запрещенной зоны, более высокой концентрации носителей и поляризации.

Рентгенограммы тонких пленок AZO разной толщины

В заключение, пленки AZO не были сильно кристаллизованы, а кристалличность зависела от толщины, что приводило к синему сдвигу запрещенной зоны и изменению диэлектрической проницаемости.

С другой стороны, мы изменили n и k в диэлектрическую проницаемость ε _r (\ (\ overset {\ sim} {\ varepsilon_r} ={n} ^ 2- {k} ^ 2 + i \ ast 2 nk \)), а действительные мнимые части ε _r показаны на рис. 4. Действительная часть ε _r уменьшается с увеличением толщины, когда мнимая часть ε _r увеличивается. В частности, действительная часть ε _r отрицательна в некоторых областях спектра, и существует точка, когда действительная часть эпсилон стремится к нулю. В соответствии с металлическими свойствами металла, описываемыми моделью Друде, частота, когда действительная часть эпсилон стремится к нулю, называется плазменной частотой. Таблица 2 показывает, что эффективная плазменная частота AZO имеет синий сдвиг при увеличении толщины. Более того, для образца с меньшей толщиной, пленок AZO с 150 циклами, нулевая точка не существует в инфракрасной области. Короче говоря, толщина влияет на диэлектрическую проницаемость AZO, и действительная часть эпсилона ультратонких пленок AZO всегда положительна. Другими словами, пленки AZO нельзя рассматривать как метаматериал при сверхтонкой толщине, где отрицательная действительная часть эпсилона важна для плазмонных приложений [12].

Действительная и мнимая части эпсилон пленок AZO разной толщины, рассчитанные из n и k (\ (\ overset {\ sim} {\ varepsilon_r} ={n} ^ 2- {k} ^ 2 + i \ ast 2 nk \))

Рисунок 5 иллюстрирует отражение, поглощение и пропускание исследованных пленок AZO. На рис. 5а, б показано отражение пленок AZO на Si и SiO ₂ . подложки соответственно. Было обнаружено, что отражение выше при большей толщине AZO на SiO ₂ субстрат. Низкое отражение AZO на SiO ₂ субстрат с длиной волны 1000–1500 нм является результатом низкого n и k на рис. 1. Данные по поглощению на рис. 5в были рассчитаны по отражению и пропусканию. Предполагается, что сумма поглощения, отражения и пропускания равна 1. Кривые поглощения на рис. 5c показывают, что поглощение пленок AZO зависит от толщины в инфракрасной области, что согласуется с расчетом и анализом SE. . Кривые пропускания на рис. 5d были измерены методом FTIR. Между 2500 и 5000 нм (равно 4000–2000 см ^{- 1} ), более толстые пленки AZO имеют меньшее пропускание.

а Отражение пленок AZO от подложки Si; б Отражение, c абсорбция и d коэффициент пропускания пленок AZO на SiO ₂ субстрат

Применение почти идеального поглощения с помощью массивов пустотных цилиндров на альтернативных слоях AZO

AZO обычно используется вместо благородных металлов в качестве плазмонного материала с низкими потерями в инфракрасной области [12], но также целесообразно построить сильный поглотитель в широкополосном инфракрасном диапазоне ввиду его сравнительно более низкого коэффициента экстинкции, как показано на рис. 6.

Коэффициент экстинкции k для AZO, Au и Ag составляет от 0,2 до 5,0 мкм [33, 34]

В нашей более ранней работе [11] 32 слоя альтернативных пленок AZO / ZnO были нанесены на кремниевую или кварцевую подложку методом ALD. Толщина 32-слойных альтернативных пленок составляет приблизительно 1,92 мкм, каждый слой - 60 нм. Альтернативные слои использовались для создания поглощающих структур из-за почти идеального поглощения на ~ 1,9 мкм. Мы взяли параметры тонких пленок AZO из анализа SE и параметры тонких пленок ZnO из нашей более ранней работы, а затем использовали решения FDTD в качестве программного обеспечения для моделирования для моделирования поглощения массивов с различными параметрами. На рис. 7 показана структура поглотителя, состоящая из массивов пустотных цилиндров на альтернативных слоях AZO / ZnO. Радиус массивов пустотных цилиндров равен R мкм и период P мкм.

Структура массивов пустотных цилиндров на альтернативных слоях AZO / ZnO. Радиус массивов пустотных цилиндров равен R мкм, а период P мкм. Толщина 32 слоев альтернативных пленок AZO / ZnO составляет приблизительно 1,92 мкм, каждый слой - 60 нм

В результате на рис. 8 представлены два типа решеток для высокого поглощения и низкого отражения в диапазоне от 2 до 5 мкм. Конкретные данные представлены в таблицах 3 и 4. Для массива A радиус составляет 0,6 мкм, а период равен 1,8 мкм; для массива B радиус 0,8 мкм и период 2,0 мкм. Матрица B имеет широкополосное поглощение от 2,04 до 5 мкм, в котором поглощение составляет более 0,9. Матрица A имеет лучшее поглощение в ближней инфракрасной области, чем матрица B. Отрицательная действительная часть диэлектрической проницаемости AZO позволяет чередующимся слоям соответствовать фазе всего отраженного света, в то время как периодические решетки и низкая диэлектрическая проницаемость способствуют широкополосному инфракрасному излучению.

Отражение и поглощение массива A и массива B

На рисунке 9 показано поглощение поглотителя А на различных подложках в инфракрасной области. Пустота, кремний и кварц прозрачны в инфракрасной области. Пока показатель преломления n изменяется от 1 до 3,56, поглощение меняется мало, что демонстрирует осуществимость и применимость конструкции.

Поглощение массива А разными подложками. В таблице вставки показаны n и k из трех подложек соответственно

Выводы

Таким образом, мы исследовали свойства пленок AZO в зависимости от толщины и разработали широкополосный поглотитель инфракрасного излучения AZO. Толщина пленок AZO влияет на диэлектрическую проницаемость как в видимой, так и в инфракрасной областях. Существуют два различных физических механизма, интерфейсный эффект и зависящая от толщины кристалличность, которые приводят к зависящей от толщины диэлектрической проницаемости. Кроме того, имеется синий сдвиг для эффективной плазменной частоты AZO с увеличением толщины, который не существует при низкой толщине (<25 нм) в инфракрасной области. Эти два свойства, зависящие от толщины, демонстрируют новый метод регулировки толщины для модуляции свойств тонких пленок AZO и указывают на то, что ультратонкие пленки AZO не могут использоваться в качестве метаматериала. Основываясь на свойствах диэлектрической проницаемости AZO, мы разработали почти идеальные инфракрасные матрицы, используя 32 альтернативных слоя AZO и ZnO. Отрицательная действительная часть диэлектрической проницаемости AZO позволяет альтернативным слоям соответствовать фазе всего отраженного света, в то время как периодические решетки и низкая диэлектрическая проницаемость способствуют широкополосному инфракрасному излучению. Кроме того, абсорбер AZO демонстрирует возможность и применимость на различных подложках. Считается, что эти исследования способствуют лучшему пониманию оптических свойств тонких пленок AZO в видимой и инфракрасной области для оптических и плазмонных приложений и что они демонстрируют возможность и осуществимость абсорбера AZO на 2–5 мкм.

Сокращения

ALD:

Осаждение атомного слоя

AZO:

Оксид цинка, легированный алюминием

F-B:

Форухи-Блумер

FDTD:

Конечная разница во временной области

FTIR:

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье

RMSE:

Среднеквадратичная ошибка

SE:

Спектроскопическая эллипсометрия

SiO ₂ :

Диоксид кремния

XRD:

Рентгеновская дифракция

ZnO:

Оксид цинка