Техника по улавливанию света для усовершенствований широкополосного и спектрально-селективного фотодетектирования с помощью самосборных диэлектрических решеток с микрорезонаторами

Введение

Фотодетекторы (ФП) пользуются большим спросом для повышения чувствительности, что практически важно для их коммерческих приложений, таких как оптическая связь, зондирование и визуализация в нашей повседневной жизни. Общеизвестно, что экстинкция материала в активной области устройств должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить эффективное поглощение света и генерацию фотоносителей [1]. Таким образом, применение передовой технологии улавливания света считается наиболее важным подходом к реализации эффективного фотодетектирования в различных широкополосных фотодиодах [2]. Кроме того, недавно возникшие требования к настраиваемой избирательной спектральной чувствительности или многополосному зондированию в области фотодетектирования также требуют разработки новых методов управления светом [3,4,5,6,7,8,9].

Различные стратегии оптического захвата были разработаны и использованы в оптических устройствах, например, интерфейсы случайных текстур [10] или трехмерные (3D) наноструктуры [11,12,13,14] для повышения чувствительности за счет полного использования большой площади поверхности для -объемное соотношение и длина Дебая. Среди этих трехмерных светозахватывающих наноструктур низкодобротный резонансный оптический резонатор считается наиболее привлекательной средой для управления светом в широкополосном диапазоне с помощью множественных резонансных мод [15,16,17,18,19,20,21,22, 23]. Главный принцип заключается в том, что резонансы моды шепчущей галереи (WGM) в сфере могут усиливать взаимодействия света и вещества в полости [16, 19, 23] или вводить свет в подслойную подложку через волноводную моду [ 17, 20]. Следовательно, улучшенная эффективность фотоэлектрического преобразования или фотоотклика может быть реализована в соответствующих оптоэлектронных устройствах [24, 25]. Эта концепция захвата света в тонкопленочных солнечных элементах за счет использования резонансных диэлектрических наносфер масштаба длины волны была предложена Грандидье и др. с целью увеличения поглощения света в активном слое и дальнейшего фототока в устройстве [15]. Кроме того, значительно улучшенное поглощение света и эффективность преобразования энергии были хорошо продемонстрированы Cui et al. [16]. Самособирающиеся диэлектрические полые наносферы, охватывающие множество резонансов МШГ с низкой добротностью в видимой области света, также были продемонстрированы для эффективного захвата света и повышения плотности тока короткого замыкания на тонкопленочных солнечных элементах в нашей предыдущей работе [17]. Теоретически, в отличие от традиционно используемой технологии оптических пленок, этот вид множественных резонансов должен быть возможен для применения в частичных разрядах для конкретной манипуляции с длиной волны или увеличения широкополосного захвата света, но это еще не исследовано.

В этой работе трехмерные наноструктурированные диэлектрические матрицы микрополостей (MCA) были представлены для техники улавливания света в широкополосной и специфической спектральной области на кремниевых фотодиодах. Здесь в качестве материала резонатора был выбран полупроводниковый ZnO с широкой запрещенной зоной, который можно легко получить с помощью различных физических или химических методов [26,27,28]. Полая сферическая полость из ZnO была изготовлена ​​с использованием самоорганизующихся массивов наносфер PS в качестве шаблона в сочетании с физическим осаждением и термическим отжигом, как сообщалось в нашей предыдущей работе [29]. Значительное широкополосное улавливание света было охарактеризовано в оптимизированных полостях ZnO, которое, как было доказано теоретическим расчетом, связано с резонансами МШГ. Таким образом, в PD, декорированных ZnO MCA, было достигнуто усиление широкополосного фотодетектирования. Между тем, из-за множественных резонансов WGM, особенно излучающих мод в MCA, в активном слое кремниевых PD усилились локальная оптическая плотность и эффективное поглощение в определенной области длин волн. Следовательно, помимо увеличения широкополосной чувствительности, было успешно достигнуто увеличение светочувствительности до 25% в определенной области длин волн (800–940 нм) при смещении 0 В. Использование поглощения с усилением WGM для управления светом в частичных разрядах, продемонстрированное в этой работе, открывает двери для различных приложений в других оптоэлектронных устройствах, таких как эффективные фотоэлектрические устройства и светодиоды (светодиоды).

Результаты и обсуждение

Поперечное сечение и виды сверху структуры устройства в кремниевом PD PIN, декорированном ZnO MCA, схематически показаны на рис. 1a и b, соответственно. Здесь изготовленные MCA из ZnO с фактическим диаметром сердцевины 470 нм при использовании наносфер 530 нм-PS в качестве шаблона, со ссылкой на экспериментальные детали и процессы изготовления в (Дополнительный файл 1:Рисунок S1) на PD PIN. хорошо упорядочены в монослое с гексагональной плотной упаковкой, как показано на рис. 1c. Приемлемая сферическая форма полостей, за исключением области контакта с подложкой, может быть хорошо различима в поперечных сечениях и названных SEM-изображениях на рис. 1d и в дополнительном файле 1:на рис. S2a. Гладкая внутренняя поверхность также может быть визуализирована во внутренней морфологии этой оптической полости, как показано в Дополнительном файле 1:Рисунок S2b, что, по понятным причинам, было бы полезно для света, резонирующего в структуре полости. Фактическая толщина оболочки ( T _{оболочка} ) в полости составила ~ 40 нм (дополнительный файл 1:рисунок S2b). Кроме того, четкий дифракционный цвет можно увидеть на крупномасштабных изготовленных массивах ZnO MCA на подложке PIN, как показано в Дополнительном файле 1:Рисунок S3a, который возникает из-за дифракционного эффекта слоя ZnO MCA, который произошел под определенными углами, удовлетворяющими формуле Брэгга. уравнение [30]. Общеизвестно, что когда параметры полости (например, диаметр и толщина) совпадают с длиной волны света, возникают резонансы моды шепчущей галереи (WGM). Следовательно, в этом типе PD PIN PD, украшенных MCA, можно ожидать удержания света и связи с активным слоем PD через излучающие моды [30] и, как следствие, улучшения улавливания света в устройствах.

Схематическое изображение а ZnO MCA украшали PIN PD и b вид сверху на устройство ввода PIN-кода. c , d Плоские и поперечные СЭМ-изображения заводских МКА ZnO на PIN PD

Чтобы проверить свойства удержания света и улавливания изготовленных МКА ZnO, FDTD смоделировал спектр пропускания для МКА ZnO на сапфировой подложке в качестве упрощенного случая, который сначала был исследован и сравнен с экспериментальными результатами, как показано на рис. 2a и b. . Несколько выделенных впадин могут быть хорошо разрешены на длинах волн 415, 495, 547 и 650 нм в смоделированном спектре пропускания. Из-за собственного поглощения ZnO на краю полосы не возникает резонанса в УФ-области, где длина волны короче 380 нм. Несомненно, эти впадины в спектре пропускания происходят из серии поддерживаемых WGM-резонансов в ZnO MCA и могут быть хорошо идентифицированы по их соответствующим картинам распределения в ближней зоне под каждым резонансным пиком, как показано в Дополнительном файле 1:Рисунок S4. Типичная резонансная картина для второго порядка резонанса МШГ вблизи 650 нм выборочно показана на вставке к рис. 2а. Было четко разрешено усиленное распределение поля вокруг резонатора, известное как излучающая мода [31], которое впоследствии будет благоприятствовать свету, излучающему в нижележащий активный слой устройств. Экспериментальный спектр пропускания хорошо согласуется с смоделированным на соответствующих резонансных длинах волн, за исключением небольшого сдвига пиков длин волн на 416, 492, 545 и 637 нм, как показано на рис. 2b. Эти резонансы МШГ в MCA вызывали широкоугольное рассеяние [32] падающего света, проявляющееся в виде впадины в спектрах пропускания вблизи резонансной длины волны.

а Теоретические и б экспериментальные спектры пропускания МКА на сапфировой подложке. c , d Теоретические и экспериментальные спектры отражения МКА на кремниевых подложках по сравнению со спектрами отражения на голом кремнии. е Профиль поглощения в кремниевой подложке с декором MCA и без него при резонансном (660 нм) и внерезонансном (840 нм) возбуждении света

Этот эффект рассеяния на подложке Si, украшенной МКА ZnO, также может быть хорошо продемонстрирован моделированным спектром отражения, показанным на рис. 2c, где можно найти серию пиков, которые хорошо совпадают с резонансными впадинами, показанными в спектрах пропускания [33]. Кроме того, было обнаружено, что на кремниевой подложке, декорированной MCA, был успешно достигнут широкополосный антиотражающий эффект по сравнению с кремнием без покрытия. Экспериментальный спектр отражения на кремниевой подложке, декорированной ZnO MCA (рис. 2d), также показывает эффект антиотражения и резонансные пики, аналогичные теоретическим результатам, за исключением гораздо более низкого качества резонанса (Q), которое может быть вызвано отсутствием отражения. идеальная сферическая структура и существующие дефекты в экспериментально приготовленных МКА. Однако это пониженное качество резонанса могло бы в дальнейшем способствовать антиотражению в коротковолновой области (<550 нм), что было бы очень полезно для улавливания широкополосного света на соответствующих устройствах, как показано в предыдущей работе [16, 34 ].

По сравнению с отражением от голой поверхности кремния как теоретические, так и экспериментальные спектры отражения от кремния, декорированного MCA, хорошо продемонстрировали, что поддерживаемая серия резонансов WGM может использоваться для захвата света за счет использования вытекающих мод. Однако интересно отметить, что в основном уменьшенное отражение произошло в нерезонансной области, а не на пиках в резонансе. Дальнейшее моделирование хорошо показало, что сильное усиление поглощения может быть успешно реализовано в кремниевой подложке с покрытием MCA в нерезонансной полосе (840 нм) по сравнению с таковой на чистом кремнии, в то время как гораздо более низкий профиль поглощения был получен в резонансной полосе. освещенность (660 нм), как показано на рис. 2e (подробные настройки моделирования показаны в дополнительном файле 1:рис. S5). Этот результат предполагает, что резонанс WGM, особенно резонанс с высоким коэффициентом качества в некоторых особых положениях длины волны, также может рассеивать свет обратно [35], что неблагоприятно для усиления захвата света. Извлеченное распределение ближнего поля, показанное в Дополнительном файле 1:Рисунок S6, также свидетельствует о том, что большое количество оптической мощности было рассеянно обратно из-за резонанса, что привело к уменьшенному профилю поглощения в активном слое по сравнению с кремнием без покрытия под открытым небом. освещение на резонансной длине волны.

Функциональность световозвращающего слоя MCA на кремниевых PIN PD затем была оценена путем определения фотоотклика устройств. Как показано на типичном ВАХ на рис. 3а, удовлетворительная характеристика фотодиода была проверена в уже изготовленных кремниевых устройствах PD PD как в темноте, так и при световом освещении. Примечательно, что при оформлении MCA на фотодиодах может быть реализован улучшенный фотоотклик на ~ 25% по сравнению с таковым в единственных кремниевых фотодиодах с PIN-кодом при освещении 850 нм (как показано на рис. 3b). Светочувствительность, зависящая от длины волны, как показано на рис. 3c, представляет собой резко улучшенный фотоотклик в широкополосном спектре почти во всей видимой и ближней инфракрасной (ИК) области после декорирования MCA на устройствах. Коэффициент усиления был рассчитан и показан на рис. 3d. Видно, что только в диапазоне длин волн от 625 до 695 нм с центральной впадиной, расположенной на ~ 660 нм, нет усиления, что просто хорошо согласуется со вторым порядком ( n =2) WGM-резонанс (пиковая длина волны ~ 640 нм), как видно из спектров пропускания (в резонансной области) на фиг. 2b. Хотя в наиболее часто используемой ближней инфракрасной (ИК) области (от ~ 800 до ~ 980 нм) для кремниевых фотокамер, очевидно, было успешно достигнуто повышение чувствительности на ~ 17%. По совпадению, эта область длин волн также находится вне резонансной области, как упоминалось выше. Результаты хорошо согласуются с результатами моделирования, в которых усиление поглощения не может быть увеличено при освещении в резонансе, в то время как, очевидно, усиленное поглощение может происходить в нерезонансной области, как показано на рис. 2e. Однако для коротковолновой области (<600 нм) все еще может быть получено значительное увеличение поглощения, а также фотоотклика, что хорошо согласуется с замечательными антиотражающими свойствами для MCA на кремнии, представленными на рис. 2г. Как обсуждалось выше, фактическое очень низкое качество резонанса в полостях в этой области должно быть основной причиной широкополосного захвата света, которое не зависит от резонанса или вне резонанса.

а Вольт-амперные характеристики изготовленных кремниевых PIN-ФД при темновом и световом освещении (светодиод 850 нм, 1,2 мВт см ⁻² ). б Сравнение текущего отклика при светодиодном освещении 850 нм и c зависимая от длины волны светочувствительность в устройствах с (контрольным) декором MCA и без него. На вставке показано частичное увеличение в более коротковолновой области (<380 нм). г Соответствующий коэффициент улучшения, рассчитанный из c , в котором резонансный ( R _на ) и вне резонанса ( R _выкл ) область, относящаяся к спектрам отражения, отмеченная светло-красным и светло-зеленым на заднем плане соответственно

Приведенные выше результаты хорошо демонстрируют, что свойства захвата света через микрополость WGM сильно связаны с качеством резонанса, которое зависит от параметров резонаторов. Для дополнительной проверки упомянутого выше механизма улучшения и управления повышением чувствительности устройств в определенном диапазоне длин волн, например, в широко используемом для связи или восприятия обнаружении в ближней инфракрасной (ИК) области, резонансы WGM в MCA регулировались путем управления размер полостей. Для полости оболочечной структуры, принятой в данной работе, эффективная оптическая длина может быть легко увеличена за счет утолщения оболочечного слоя [36]. Как показано на рис. 4а, при увеличении толщины оболочки до 60 нм в спектре пропускания MCA наблюдалось гораздо больше резонансных мод. Эти резонансные моды также могут быть отнесены к соответствующим резонансам WGM посредством теоретического моделирования, как показано в Дополнительном файле 1:Рисунок S7. По сравнению с MCA с толщиной оболочки 40 нм (рис. 2b), тот же резонансный режим демонстрирует понятное красное смещение из-за увеличенной эффективной длины резонатора. Экспериментальные спектры отражения на рис. 4б также хорошо согласуются со спектром пропускания. В отличие от экспериментальных спектров отражения для MCA с толщиной оболочки 40 нм, показанных на рис. 2d, реальный резонанс более различим, что указывает на более высокое качество резонанса, что означает, что эффект обратного рассеяния может быть сильнее и не в пользу света. ловушка. Кривые чувствительности, зависящие от длины волны, показаны на рис. 4d, хорошо демонстрируют этот вывод, где чувствительность в определенных диапазонах длин волн была увеличена, а в некоторых других областях уменьшена. Из рис. 4d можно отметить, что наиболее усиленная область постоянно возникает в нерезонансной области, а область уменьшения находится в резонансной области. Кроме того, по сравнению с PD, украшенными MCA, с толщиной оболочки 40 нм (показано на рис. 3d), было достигнуто гораздо более высокое повышение чувствительности в области 800–980 нм, которая в основном используется для связи и считывания для кремниевых PD. Увеличение до ~ 25% может быть достигнуто на длине волны 820 нм, как показано на рис. 4d. Это гораздо более сильное усиление должно было происходить из-за более высокого качества резонанса для WGM второго порядка MCA, что привело к более высокому эффекту захвата света из-за вытекающей моды резонанса WGM в этой области длин волн. Значительно более низкая интенсивность отражения в этой области длин волн хорошо объясняет это значительное улучшение улавливания света, а также чувствительности, как показано на рис. 4b при сравнении со спектром отражения на рис. 2d для MCA с толщиной оболочки 40 нм. . Кроме того, это улучшение в основном произошло в нерезонансной области.

а Экспериментальный спектр пропускания МКА на сапфировой подложке с толщиной оболочки 60 нм. б Соответствующие спектры отражения МКА на кремниевой подложке по сравнению с голой кремниевой подложкой. c Светочувствительность устройства с (контрольным) декором MCA или без него при светодиодном освещении 850 нм. г Соответствующий коэффициент улучшения, рассчитанный из c . Фон в резонансной и нерезонансной областях на b и d ссылаясь на спектры отражения в b был выделен светло-красным и светло-зеленым цветом соответственно

В то время как для резонансной области от ~ 640 до 710 нм, как показано на рис. 4d (фон был отмечен светло-красным), очевидно, что снижение чувствительности было получено разумно из-за эффекта обратного рассеяния, вызванного высоким качеством резонанса для этого режима резонанса, как обсуждалось выше. Подобно MCA с толщиной оболочки 40 нм, сильное усиление все еще может быть реализовано в коротковолновой области (<500 нм), скорее всего, из-за гораздо более низкого качества резонанса и более высокого антиотражающего эффекта. Стабильность этих улучшений, выполненных с помощью техники улавливания света, также была дополнительно оценена путем изучения фотоотклика для того же устройства, хранящегося в окружающем воздухе в течение 1 года, которые показывают почти отсутствие спада в текущем отклике по сравнению с контрольным откликом при хранении в течение 1 года. те же условия тестирования, как показано в Дополнительном файле 1:Рисунок S8.

Выводы

В заключение была предложена новая стратегия для улучшения поглощения света в широкополосном и определенном диапазоне длин волн для фотодетекторов (ФД) за счет использования множественных резонансов МШГ, генерируемых в массивах микрополостей (МКА) из ZnO. Благодаря декорированию легко подготовленных диэлектрических решеток микрополостей (MCA) на кремниевых ПИН-модулях удалось добиться улавливания широкополосного света и повышения светочувствительности, охватывающего почти весь ультрафиолетовый и видимый ближний инфракрасный (300–1000 нм) диапазон. . Теоретические и экспериментальные результаты показали, что излучение вытекающей моды резонансов МШГ, которые наиболее эффективно работают в нерезонансной области, является основным механизмом усиления для захвата света. При дальнейшем манипулировании пиками резонанса WGM и качеством резонанса путем увеличения толщины оболочки полостей удалось добиться специфического улавливания света и повышения чувствительности в наиболее часто используемой области связи и восприятия (800–980 нм) с максимальным улучшением до ~ 25%. на 820 нм. Эта работа хорошо продемонстрировала недорогой и хороший метод совместимости для улучшения улавливания света и, следовательно, чувствительности к широкополосным или селективным спектрам для фотодетектирования за счет введения излучающей моды массивов резонансных диэлектрических резонаторов WGM. Подход с манипуляциями со светом, использованный в этой работе, представляет собой важное руководство для проектирования архитектур из микро- и наноматериалов, чтобы облегчить новые приложения в определенном диапазоне длин волн в оптоэлектронных устройствах.

Методы / экспериментальные

Процесс изготовления устройств PIN PD

ПИН-ФД были изготовлены на кремниевой подложке p-типа (100) толщиной 200 мкм, закупленной у WaferHome [37], с удельным сопротивлением 0,001 Ом · см. Собственный слой толщиной 20 мкм был выращен на подложке эпитаксиально. Затем имплантация иона фосфора n-типа с дозой имплантации 1 × 10 ¹⁶ см ⁻² и энергия 160 кэВ была приложена к собственному слою, чтобы сформировать окончательную структуру устройства PIN. Перед декорированием структур MCA пластина PIN была стандартно очищена от поверхностных остаточных органических веществ и ионов металлов. Наконец, процессы изготовления чипа были выполнены с расчетной светочувствительной областью 2,8 мм × 2,8 мм. Распылением наносились алюминиевый электрод толщиной 100 нм и диаметром 160 мкм на поверхность n-типа и пленка Au толщиной 50 нм с 5-нм связующим слоем Ti на тыльной стороне (Explorer-14, Denton Vacuum ) для образования металлического омического контакта.

Процесс изготовления уровня ZnO MCA

МКА ZnO были получены с использованием наносфер полистирола (PS) в качестве шаблона с последующим напылением пленки ZnO, а наносферы PS были окончательно удалены термическим отжигом [29]. Коммерческие наносферы PS, приобретенные у Nanomicro (Suzhou Nanomicro Technology Co., Ltd.), диаметром 530 нм использовали в качестве материала шаблона для изготовления массивов микрополостей ZnO. Оболочка тонких пленок ZnO разной толщины (~ 40 и ~ 60 нм) контролировалась путем регулировки различной продолжительности осаждения.

Характеристики

Морфология и структура были охарактеризованы с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа Hitachi S-4800 (FE-SEM). Экспериментальные данные спектров пропускания и отражения были получены с помощью спектрофотометра Varian Cary 5000 UV-Vis-NIR. Фототок и ВАХ устройств измерялись на электрохимической станции (CHI660D), оснащенной зондовой станцией комнатной температуры и светодиодными источниками света. Внешняя квантовая эффективность (EQE) устройств при смещении 0 измерялась с помощью измерителя оптической мощности (Newport, 2936-R), который оборудован источником света (Newport, 66,920) и монохроматором (Cornerstone 260, Newport). Смоделированные спектры пропускания / отражения и распределение ближнего поля были извлечены с помощью пакета моделирования FDTD (FDTD Solutions, Lumerical Inc.).

Доступность данных и материалов

Все данные, полученные или проанализированные в ходе этого исследования, включены в эту опубликованную статью и файлы с дополнительной информацией к ней.

Сокращения

3D:

Трехмерный

EQE:

Внешняя квантовая эффективность

IR:

Инфракрасный

IV:

Ток-напряжение

MCA:

Массивы микрополостей

PD:

Фотоприемники

PIN-код:

Положительный-внутренний-отрицательный

PS:

Полистирол

R _выкл :

Внерезонанс

R _на :

На резонансе

T _{оболочка} :

Толщина оболочки

WGM:

Режим галереи шепотом