Улучшение широкополосного фотодетектирования с помощью самоорганизованных массивов диэлектрических микрокавитаций

Аннотация

Эффективное манипулирование светом критично для фотодетекторов, требующих широкополосной или спектрально-селективной усиленной отзывчивости. В этом исследовании мы демонстрируем, что оптимально изготовленные массивы микрокавитаций из оксида цинка (ZnO), осажденные на кремниевые PIN-структуры, заметно повышают фотоотзывчивость. И экспериментальные измерения, и теоретические моделирование подтверждают, что замыкание света через резонансы шепчущих-галерейных мод (WGM) и последующее связывание в активный слой через утекающие режимы лежат в основе наблюдаемого повышения чувствительности. Настройка оптической длины кавитаций позволяет селективно усиливать поглощение в целевых длинах волн, достигая до 25 % увеличения отзывчивости в диапазоне оптической связи 800–980 нм. Эти результаты устанавливают утекающие-режим WGM массивы микрокавитаций как универсальную, недорогую стратегию для усиления фотодетектирования в широкополосных и узких спектральных диапазонах, с потенциальным расширением на другие оптоэлектронные устройства.

Введение

Фотодетекторы (ФД) лежат в основе ряда коммерческих применений — оптической связи, сенсоринга, изображения — где высокая отзывчивость необходима. Эффективное поглощение света в активной области стимулирует генерацию фотонесущих, делая передовые техники захвата света критическими для следующего поколения ФД. Новые требования к настраиваемой, спектрально-селективной отзывчивости дополнительно мотивируют разработку новых стратегий манипулирования светом.

Традиционные подходы, такие как случайная текстуризация и трехмерные наноструктуры, усиливают поглощение за счет больших отношений поверхность/объем и удлиненных оптических путей. Среди них низко-Q резонансные оптические кавитации предлагают убедительный путь к широкополосному захвату света через множественные WGM резонансы. WGM замыкание в диэлектрических сферах или полых структурах может драматически усиливать свет-вещество взаимодействия или воронковать свет в базовый субстрат через утекающие режимы, ведущие к улучшению генерации фотонесущих и производительности устройств. Предыдущая работа показывала, что длина волны-масштабные диэлектрические наносферы усиливают поглощение и фотоконтакт в тонкопленочных солнечных батареях, но их применение к фотодетекторам оставалось в значительной степени неизведанным.

В этой работе мы вводим самоорганизованные массивы микрокавитаций ZnO (MCA) на кремниевых PIN ФД для инженерии захвата света в широком спектральном диапазоне. ZnO, полупроводник с широкой запрещенной зоной, может быть изготовлен различными масштабируемыми методами. Используя полистироловые (PS) наносферы как шаблоны, мы производим полые ZnO микрокавитации, поддерживающие множественные низко-Q WGM. Полученный широкополосный захват света переводится в измеримые приросты отзывчивости по видимому и ближнему инфракрасному (НИК) спектру. Кроме того, мы демонстрируем, что регулируя толщину оболочки кавитации, мы можем селективно усиливать поглощение в диапазоне 800–980 нм, достигая до 25 % улучшения на 820 нм. Это исследование устанавливает практичный, недорогой подход к увеличению производительности ФД через резонансное манипулирование светом.

Результаты и обсуждение

Архитектура устройства включает ZnO MCA, изготовленные поверх кремниевого PIN ФД, как показано на Рис. 1a и b. MCA, полученные из 530-нм PS наносфер, имеют фактический диаметр ядра 470 нм и толщину оболочки ~40 нм (Рис. 1c–d). SEM изображения подтверждают монослойную, гексагонально-уплотненную упаковку и гладкие внутренние поверхности, благоприятствующие эффективному WGM замыканию (Рис. 1d, S2a-b). Дифракционные паттерны, наблюдаемые на большой площади MCA массива (Рис. S3a), возникают от Брагговского рассеяния, подкрепляя периодичность и оптическое качество структуры.

Метод конечных разностей во временной области (FDTD) моделирование MCA на сапфировом субстрате показывает долины пропускания на 415, 495, 547 и 650 нм — четкие признаки WGM резонансов. Моделируемые ближнеполевые паттерны (Рис. S4) иллюстрируют сильное поле замыкание и утекающе-режимное излучение вокруг кавитаций, которое может связаться с нижележащим кремнием. Экспериментальные спектры пропускания (Рис. 2b) хорошо согласуются с симуляциями, подтверждая наличие WGM. Утекающе-режимное рассеяние также проявляется в спектрах отражения: теоретические расчеты (Рис. 2c) и экспериментальные измерения (Рис. 2d) показывают широкополосное антиотражение и отдельные резонансные пики. В частности, вне-резонансные длины волн (например, 840 нм) демонстрируют усиленное поглощение в кремниевом субстрате по сравнению с он-резонансными (например, 660 нм) из-за уменьшенного обратного рассеяния (Рис. 2e). Это поведение подчеркивает важность качества резонанса: высоко-Q WGM могут рассеивать свет назад, уменьшая поглощение, тогда как низко-Q утекающие режимы способствуют захвату света.

Измерения производительности устройств подтверждают оптические инсайты. PIN ФД демонстрируют типичные ВАХ фотодиодов (Рис. 3a). После декорирования MCA, фотоотклик на 850 нм увеличивается на ~25 % относительно контрольного образца (Рис. 3b). Спектральные кривые отзывчивости (Рис. 3c) показывают широкополосное усиление по видимому и НИК диапазонам, с наибольшими приростами в диапазоне 800–980 нм (~17 % увеличение). Это согласуется с преимуществом вне-резонансного поглощения. Область 625–695 нм — центрированная на втором порядке WGM (~640 нм) — не показывает усиления, отражая эффект обратного рассеяния высоко-Q резонансов. Кратковолновый (< 600 нм) производительность также улучшается, благодаря сильной антиотражающей способности MCA.

Для настройки резонансного поведения мы увеличили толщину ZnO оболочки до ~60 нм. Спектр пропускания теперь показывает дополнительные резонансы и красное смещение существующих мод (Рис. 4a), подтвержденное симуляциями (Рис. S7). Спектры отражения (Рис. 4b) раскрывают более высокое качество резонансов, указывая на более сильное обратное рассеяние на он-резонансных длинах волн. Карты отзывчивости (Рис. 4d) подтверждают, что вне-резонансная область (800–980 нм) выигрывает от более высокого захвата света, давая до 25 % улучшения на 820 нм. И наоборот, он-резонансные длины волн страдают от сниженной отзывчивости из-за увеличенного рассеяния.

Долгосрочные тесты стабильности показывают незначительную деградацию после одного года в окружающем воздухе, подчеркивая надежность MCA-декорированных устройств (Рис. S8).

Заключение

Мы представили масштабируемую стратегию усиления широкополосного и спектрально-селективного фотодетектирования путем интеграции самоорганизованных массивов ZnO микрокавитаций на кремниевые PIN ФД. Утекающие-режим WGM в MCA эффективно захватывают свет, особенно в вне-резонансных спектральных окнах, ведуя до 25 % увеличения отзывчивости в диапазоне оптической связи 800–980 нм. Регулировка толщины оболочки кавитации позволяет точное управление позициями резонансов и качественными факторами, обеспечивая селективное усиление по всему ультрафиолетовому-ближнему инфракрасному спектру. Этот недорогой, высоко-совместимый подход предлагает универсальный путь к повышению поглощения света и фотоотзывчивости в ряде оптоэлектронных устройств, включая солнечные батареи и LED.

Методы/Экспериментальная часть

Фабрикация PIN ФД устройств

PIN фотодиоды изготавливали на 200-мкм толстых p-типе (100) кремниевых пластинах (сопротивление 0,001 Ом·см), приобретенных у WaferHome. 20-мкм толстый интринсикный слой эпитаксиально выращивали, затем n-типе фосфорная имплантация (1 × 10¹⁶ см⁻², 160 кэВ). После стандартной RCA очистки, фотолитография определяла 2,8 мм × 2,8 мм активную область. 100-нм Al контакты (160 мкм диаметр) спуттерировали на n-стороне, в то время как 50-нм Au пленка с 5-нм Ti адгезионным слоем осаждали на обратной стороне.

Фабрикация ZnO MCA слоя

ZnO MCA изготавливали шаблонированием 530-нм PS наносфер (Nanomicro) на PIN пластине, затем спуттерированием ZnO. PS сферы затем удаляли термическим отжигом, оставляя полые ZnO микрокавитации. Толщина ZnO оболочки настраивалась до ~40 нм или ~60 нм изменением времени осаждения.

Характеризация

SEM изображения получали на Hitachi S-4800 FE-SEM. Спектры пропускания и отражения записывали на Varian Cary 5000 UV-Vis-NIR спектрофотометре. ВАХ и фотоконтакт измерения проводили на CHI660D электрохимической рабочей станции с пробной станцией и LED источниками. Внешняя квантовая эффективность (EQE) при нулевом смещении измеряли с оптическим измерителем мощности Newport и монохроматором. FDTD симуляции проводили с использованием Lumerical FDTD Solutions.

Доступность данных и материалов

Все данные, сгенерированные или проанализированные в ходе этого исследования, включены в опубликованную статью и её дополнительные информационные файлы.

Аббревиатуры

3D

Трехмерный

EQE

Внешняя квантовая эффективность

IR

Инфракрасный

IV

Вольт-амперная характеристика

MCAs

Массивы микрокавитаций

PDs

Фотодетекторы

PIN

Позитивный-интринсик-негативный

PS

Полистирол

R_off

Вне-резонанс

R_on

В-резонанс

T_shell

Толщина оболочки

WGM

Шепчущий-галерейный режим