Усиление фотонного поглощения в квантово-точечных инфракрасных фотодетекторах за счет поверхностных плазмонов металлических наноотверстий

Аннотация

С растущим спросом на маломасштабные фотодетекторы, квантово-точечные инфракрасные фотодетекторы (КТИФ) привлекали все больше внимания в последние десятилетия. В этой работе периодические структуры металлических наноотверстий вводятся в КТИФ для усиления фотонной поглощающей способности через эффект усиления поверхностных плазмонов, чтобы преодолеть узкое место низкой эффективности оптического поглощения, существующее в обычных фотодетекторах. Результаты демонстрируют, что оптимизированные структуры металлических наноотверстий могут значительно повысить фотонную поглощаемость до 86.47% в специфических фотодетекторах, что в 1.89 раза больше, чем у обычных фотодетекторов без металлических массивных структур. Большое усиление поглощаемости можно приписать локальному эффекту связывания поверхностных плазмонов, вызванному структурами металлических наноотверстий. Считается, что это исследование может обеспечить определенное теоретическое руководство для высокопроизводительных наномасштабных квантово-точечных инфракрасных фотодетекторов.

Введение

Полупроводниковые инфракрасные фотодетекторы могут использоваться для обнаружения инфракрасного света и имеют большие перспективы применения в областях научных исследований, цифровой визуализации, оптической связи и военных областях. На сегодняшний день квантово-точечные инфракрасные фотодетекторы (КТИФ) привлекли растущее внимание в последние годы благодаря своим выдающимся свойствам светового отклика и тенденциям к миниатюризации приборов [1–3]. Хотя десятилетиями устойчивых усилий ученые достигли большого прогресса в разработке технологий для получения высокопроизводительных КТИФ, все еще необходимы дальнейшие улучшения для решения проблем миниатюризации приборов [4] и практических требований. Указывается, что связывание металлической решетки на квантово-точечной активной области может рассматриваться как эффективный подход к улучшению характеристик КТИФ [5, 6], который может дать высокий коэффициент фотопоглощения за счет локального фотосвязывания плазмон-усиленного эффекта.

Согласно отчетам, существует два основных вида металлических решетчатых структур, используемых для улучшения характеристик КТИФ. Один — структура металлического массива отверстий, другой — структура металлического массива без отверстий. Более конкретно, в прикладном отношении структуры металлического массива отверстий, группа Чанга в 2007 году соединила периодический металлический массив отверстий со слоем квантовых точек в КТИФ, что привело к сверхнормальной светопропусканию фотодетектора [7]. В 2009 году Ли и др. предложили метод высокодетектирующего КТИФ путем интеграции металлических фотонных кристаллов с периодом массива отверстий 3.6 мкм (толщина 100 нм) [8]. Результаты исследований демонстрируют, что метод может реализовать пиковый отклик фотодетектора на длине волны 11.3 мкм и дать до 30-кратного усиления детектируемости по сравнению с без металлического фотонного кристалла. Затем они обсуждали зависимость характеристик КТИФ от падающего света и их применение в фокально-плоскостных массивах [9, 10]. Подобное усиление характеристик также можно найти в отчетах с использованием связывающей решетки металлического массива отверстий [11–14]. Структуры металлического массива без отверстий также предлагались. В 2011 году Хуан и соавторы использовали самоорганизованный плазмонный слой наночастиц серебра для усиления широкого спектрального отклика КТИФ и получили усиление 2.4–3.3 раза [15]. В 2014 году группа Чена сообщила, что характеристики фотодетектора могут быть усилены через ближнее поле эффекта наночастиц Au [16]. В 2015 году группы Дина и Ванга предложили волноводные связывающие структуры и одиночный резонансный кавитет распределенного Прагского рефлектора [17, 18] соответственно. Помимо вышеупомянутых структур, другие металлические структуры, например, антенные полоски массива и нано-дисковые массивы также обсуждались и анализировались [19–21].

Однако эти методы массива без отверстий также могут проявлять усиливающий эффект в фотоотклике КТИФ, но их процесс фабрикации с рентабельными и простыми методами все еще остается проблемой по сравнению с типичной структурой массива отверстий. Для типичных структур массива отверстий размер массива отверстий обычно в микромасштабе. Усиление фотоотклика происходит через плазмонный эффект на границе между воздухом в микромасштабных металлических отверстиях и полупроводником ниже. Размер металлического массива отверстий может быть еще больше уменьшен до ожидаемого наномасштаба, соответствующего размеру квантовой точки в наномасштабном КТИФ, можно ли реализовать высокопроизводительные КТИФ с соответствующим усилением эффекта. В то же время дальнейшие теоретические работы необходимы для разъяснения механизмов, лежащих в основе этих явлений. В этом исследовании, чтобы сделать явление понятным, проектируются КТИФ с наномасштабными структурами металлического массива отверстий, и, что более важно, по сравнению с обычными микромасштабными КТИФ, усиливающий эффект объясняется анализом оптического условия пропускания и распределения электрического поля. Результаты демонстрируют, что КТИФ с наномасштабными металлическими массивными структурами могут иметь фотонную поглощаемость до 86.47% благодаря взаимодействию фотон-квантовая точка и эффективному световому связыванию, что может открыть дверь к проектированию и оптимизации наномасштабных инфракрасных фотодетекторов.

Проектная модель КТИФ с наноотверстиями

В общем, КТИФ состоит из квантово-точечной области и электродов, а квантово-точечная область состоит из периодических квантово-точечных слоев и барьерных слоев. В идеальных условиях (игнорируя влияние электродов и подложки), оптическое пропускание всего КТИФ можно предположить равным пропусканию квантово-точечной области. Таким образом, электроды и подложка не нужны для появления в проекте КТИФ. Конкретно, рис. 1a дает проект типичного КТИФ, который состоит из 5-периодических квантово-точечных композитных слоев, и эти композитные слои составляются из барьерного слоя AlGaAs и слоев GaAs, включающих периодические квантовые точки (рис. 1b). В текущей конфигурации наночастицы квантовых точек предполагаются кубической формы, что соответствует определению квантовых точек, сформированных множеством атомов и молекул, и составляет 40 нм в длину, 40 нм в ширину и 7–9 нм в высоту. Подобная модель квантовых точек также можно найти в сообщаемой литературе [22]. Площадь КТИФ установлена как 1000 нм × 1000 нм, толщина барьерных слоев AlGaAs — 60 нм. Металлический наноотверстийный массив, выбранный как Au, размещается на обычных наноструктурных слоях квантовых точек обычного КТИФ, что называется улучшенным КТИФ, изображенным на рис. 2. Радиус отверстий можно регулировать в диапазоне 50–70 нм. Стоит отметить, что материал, используемый для формирования квантовой точки, не может быть просто рассмотрен как объемный материал с определенным показателем преломления. Рис. 3 показывает характеристику электрической дисперсии материала GaAs, используемого для формирования квантовой точки, методом Эдварда Д. Палика [23]. На рисунке синяя кривая и красная кривая представляют диэлектрическую постоянную GaAs ε^′ и ε^″ соответственно. Рис. 4a и b показывают характеристику электрической дисперсии материалов GaAs, Al_0.3Ga_0.7As и золота соответственно.

Метод расчета на основе ячейки YEE

На основе выше спроектированной физической модели используется метод конечно-элементной интеграции для расчета условия оптического пропускания. Во-первых, на основе ячеек YEE, интегральные уравнения Максвелла, удовлетворяющие вышеуказанной модели, записываются следующим образом:

$$ {\oint}_L\mathbf{E}\cdot d\mathbf{l}=-\frac{\partial }{\partial t}{\int}_S\mathbf{B}\cdot d\mathbf{S} $$ (1)

$$ {\oint}_L\mathbf{H}\cdot d\mathbf{l}=\mathbf{J}+\frac{\partial }{\partial t}{\int}_S\mathbf{D}\cdot d\mathbf{S} $$ (2)

$$ {\oint}_S\mathbf{D}\cdot d\mathbf{S}=q $$ (3)

$$ {\oint}_S\mathbf{B}\cdot d\mathbf{S}=0 $$ (4)

В нашем расчете уравнения 1–4 дискретизируются. И распределение узлов электрического поля, и узлов магнитного поля выбираются в формате «ячейка Yee». Используя уравнение 1 как пример, электромагнитную модель фотодетектора можно рассматривать как накопление «ячейки Yee». Как показано на рис. 5, четыре стороны произвольной ячейки соответствуют уравнению 1, представляя векторы электрического поля e_i, e_j, e_k и e_l. Вектор, расположенный в нормальном направлении, является вектором магнитного поля b_n, и таким образом предыдущее уравнение 1 можно переписать как следующее уравнение 5.

$$ {e}_i+{e}_j-{e}_k-{e}_l=-\frac{db_n}{dt} $$ (5)

Применяя похожий метод, уравнение электромагнитной модели всего фотодетектора можно записать как:

$$ \left[\begin{array}{l}..\dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \\ {}1\kern0.5em 1\kern0.5em -1\kern0.5em -1\\ {}.\dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \\ {}.\dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \end{array}\right]\left[\begin{array}{l}{e}_i\\ {}{e}_j\\ {}{e}_k\\ {}{e}_l\end{array}\right]=-\frac{d}{dt}\left[\begin{array}{l}.\\ {}{b}_n\\ {}.\\ {}.\end{array}\right] $$ (6)

Уравнение 2 также можно переписать как:

$$ C\mathbf{e}=-\dot{\mathbf{b}} $$ (7)

Согласно похожему методу, другие уравнения 2–4 могут быть дискретизированы как:

$$ \tilde{C}\mathbf{h}=\dot{\mathbf{d}}+\mathbf{j} $$ (8)

$$ s\mathbf{b}=0 $$ (9)

$$ \tilde{S}\mathbf{d}=q $$ (10)

Комбинируя дискретизированные уравнения 7–10 с граничным условием, электрическое поле и магнитное поле можно решить итерационным методом. В этом исследовании структура металлического массива отверстий размещается на вершине обычного КТИФ, и как такая, структура может способствовать световому связыванию через рассеяние Брагга. Соответствующая оптическая коммуникация далее рассчитывается, что может быть обсуждено в следующем разделе, когда даны условия пропускания, отражения и поглощения. Кроме того, основанная на соотношении между поглощением и квантовой эффективностью, ответственность КТИФ может быть дана. Конкретно, как хорошо известно, что ответственность КТИФ как очень важный параметр характеристики может быть рассчитана отношением фототока и мощности падающего света [24]. Так что это можно записать как:

$$ R=\frac{I_{photo}}{P_o}=g\frac{\eta e}{hv} $$ (11)

где I_photo — фоток КТИФ, P — мощность падающего света, g — фото проводимый коэффициент усиления, e — заряд электрона, h — постоянная Планка, v — частота падающего света, и η — квантовая эффективность.

Квантовая эффективность может быть определена как отношение числа электрон-дырочных пар к числу падающих фотонов, что сильно зависит от поглощения фотодетектора. На практике, поскольку падающий свет напрямую освещает поглощающую область, он не может быть полностью поглощен из-за отражения верхнего контактного слоя или металлического слоя [25, 26]. Таким образом, квантовая эффективность КТИФ может быть записана как:

$$ \eta =\left(1-r\right)\left[\exp \left(-{\alpha}_0d\right)\right]\left[1-\exp \left(-{\alpha}_0W\right)\right] $$ (12)

где α₀W — коэффициент поглощения КТИФ, α₀d — коэффициент поглощения впадающего контактного слоя, r — отражение впадающего слоя соответственно.

В КТИФ фото проводимый коэффициент усиления может быть определен как отношение времени рекомбинации электронов из расширенного состояния обратно в квантовую точку τ_life к времени транзита электронов через прибор τ_total, и может быть показано как:

$$ g=\frac{\tau_{life}}{\tau_{total}} $$ (13)

и при условии, что время транзита через один период квантово-точечного композитного слоя значительно меньше времени рекомбинации из расширенного состояния обратно в квантовую точку [22, 27], усиление можно записать как:

$$ g=\frac{\left(K+1\right) L\mu E{\left[1+{\left(\mu E/{v}_s\right)}^2\right]}^{- 1/2}}{\mathrm{K}\pi {a}_{QD}^2{h}_{QD}^2{\sum}_{QD}{V}_{\mathrm{t}}} $$ (14)

где K — число квантово-точечных композитных слоев, L — расстояние между квантово-точечными слоями, μ подвижность электронов, E — плотность электрического поля через КТИФ, v_s — насыщенная скорость электронов, h_QD — высота квантовых точек, ∑_QD — плотность квантовых точек в каждом квантово-точечном слое, a_QD — боковой размер квантовых точек, и V_t — скорость захвата электронов соответственно.

Подставляя уравнение (12) и уравнения (14) в уравнение (11), можно получить ответственность КТИФ, которая может быть показана как:

$$ R=\frac{\lambda \left(K+1\right) L\mu E{\left[1+{\left(\mu E/{v}_s\right)}^2\right]}^{- 1/2}\left(1-r\right)\exp \left(-{\alpha}_0d\right)\left[1-\exp \left(-{\alpha}_0W\right)\right]}{1.24\mathrm{K}\pi {a}_{QD}^2{h}_{QD}^2{\sum}_{QD}{V}_{\mathrm{t}}} $$ (15)

Результаты и обсуждение

На основе проекта КТИФ выше, если падающий инфракрасный свет падает на вершину этих КТИФ в направлении оси z, фотодетекторы будут иметь отражение и пропускание падающего света. Поглощаемость фотодетекторов может быть определена изучением этих оптических условий пропускания падающего света, которые играют очень важную роль в оценке характеристик фотодетектора. Рис. 6 представляет их условия отражения фотодетектора без металлического массива (обычный КТИФ) и с металлическим массивом (улучшенный КТИФ). Сравнивая две кривые на рис. 6, можно обнаружить, что значения коэффициента отражения обычного КТИФ слегка меньше, чем у улучшенного КТИФ, кроме отдельных значений в диапазонах частот 250–260 ТГц и 279–293 ТГц. Конкретно, беря значение на частоте 219 ТГц как пример, значение коэффициента отражения обычного КТИФ составляет -3.91 дБ, в то время как улучшенный КТИФ составляет -1.31 дБ. Как сказано выше, улучшенный КТИФ может иметь слегка более высокое значение, чем обычный КТИФ, но можно обнаружить, что минимальное поглощение улучшенного КТИФ значительно меньше, чем у обычного КТИФ. Конкретно, минимальное поглощение улучшенного КТИФ составляет -16.17 дБ на частоте 255.10 ТГц, тогда как значение для обычного КТИФ равно -13.42 дБ на 254.86 ТГц. Низкий коэффициент отражения улучшенного КТИФ может быть приписан более высокому коэффициенту поглощения металла, чем в полупроводнике для инфракрасного света. Поглощение может быть рассчитано на основе общих вкладов отражения и пропускания. Рис. 7a изображает коэффициент пропускания обычного КТИФ и их значения, отмеченные синим цветом, явно больше, чем у улучшенного КТИФ в целом диапазоне частот 200–340 ТГц. Например, на частоте 298 ТГц коэффициент пропускания улучшенного КТИФ составляет только -10.83 дБ, что в 1.60 раза меньше, чем у обычного КТИФ, который составляет -4.15 дБ. Согласно конкурентному соотношению между пропусканием, отражением и поглощением, уменьшение коэффициента пропускания приведет к увеличению поглощения при условии игнорирования других потерь падающего света.

Комбинируя ситуацию пропускания на рис. 7a с ситуацией отражения на рис. 6, поглощаемость КТИФ может быть рассчитана, что показано на рис. 7b. На рисунке красная кривая (отмечена как 60 нм улучшенный) описывает поглощаемость улучшенного КТИФ с металлической структурой, а другая синяя кривая представляет обычный КТИФ без структуры металлических отверстий (отмечена как 60 нм обычный). Сравнивая две кривые, можно обнаружить, что поглощаемость улучшенного КТИФ выше, чем у обычного КТИФ. Максимум поглощаемости улучшенного КТИФ составляет 0.782 на частоте 286 ТГц, что в 1.71 раза выше, чем у обычного КТИФ, который составляет только 0.458 на частоте 257 ТГц. Причины увеличения поглощаемости улучшенного КТИФ можно объяснить следующим образом. Структуры металлических наноотверстий вводятся на вершину обычного КТИФ, и такая конфигурация может способствовать эффекту резонанса поверхностных плазмонов, приводя к локальному эффекту связывания падающего света. Кроме того, локальный эффект связывания может заставить больше падающего света войти в полупроводниковые квантово-точечные слои ниже, что может привести к высокому поглощению падающего света и иметь лучшие фотоэлектрические свойства с большим фоток и более высокой квантовой эффективностью.

Чтобы еще больше прояснить, как реализовать эффект плазмонного усиления в улучшенных КТИФ, мы также изучаем влияние различных металлических наноотверстийных структур на поглощаемость улучшенных КТИФ. Как показано на рис. 8a, кривые поглощаемости улучшенных КТИФ с разным радиусом металлических наноотверстий соответствуют черной (50 нм), зеленой (55 нм), красной (60 нм) и синей (65 нм) кривым соответственно. Значения поглощаемости улучшенных КТИФ раскрывают разные меняющиеся тренды под разными наноотверстиями. Пиковые значения поглощаемости для улучшенного КТИФ составляют 0.744 (черная кривая на 289 ТГц), 0.721 (зеленая кривая на 291 ТГц), 0.782 (красная кривая на 286 ТГц) и 0.707 (синяя кривая на 288 ТГц) соответственно. Очевидно, среди этих фотодетекторов улучшенный КТИФ с радиусом отверстия 60 нм может иметь лучшую характеристику поглощаемости. Одновременно известно, что толщина металлического слоя отверстий также может влиять на поглощаемость. Как показано на рис. 8b, когда толщина металлического слоя в улучшенном КТИФ меняется от 10 до 40 нм, пиковые значения поглощаемости соответствующе меняются от 0.667 (263 ТГц для толщины 10 нм) до 0.782 (286 ТГц для 20 нм), 0.662 (293 ТГц для 30 нм) и 0.590 (262 ТГц для 40 нм). Среди этих пиковых значений металлический наноотверстийный слой с толщиной 20 нм может иметь наивысшее значение поглощаемости.

Чтобы сделать вышеуказанное явление понятным, мы далее изучаем условия распределения электрического поля на верхней поверхности улучшенного КТИФ с разными радиусами металлических отверстий на 286 ТГц. Рис. 9 раскрывает распределение электрического поля при разных радиусах металлических отверстий в диапазоне 50–65 нм. Сравнивая четыре изображения на рис. 9a, ясно, что КТИФ с радиусом отверстия 50 нм (рис. 9a) и 55 нм (рис. 9b) могут иметь относительно слабое усиление электрического поля из-за соответствующих распределений электрического поля на рис. 9a и b лежащих на всей площади, включая отверстия и их смежные области, и таким образом их локальные эффекты связывания электрического поля можно игнорировать, тогда как локальная область связывания электрического поля с высоким электрическим полем может быть наблюдаена на рис. 9c и d. Сильные распределения электрического поля вокруг отверстий на рис. 9c и d в форме кольца могут быть локализованы на границе между металлическими отверстиями и воздухом в металлических отверстиях в результате эффекта связывания поверхностных плазмонов. Сравнивая распределения электрического поля на рис. 9c и d, эффект связывания электрического поля на рис. 9c сильнее, чем на рис. 9d, согласно их отмеченным цветам, которые являются смесью красного, зеленого и синего. В этом отношении красный цвет представляет самое сильное поле, а синий цвет — самое слабое поле. На основе вышеуказанного анализа, металлические наноотверстия с радиусом 60 нм действительно генерируют эффект усиления электрического поля поверхностными плазмонами. Чтобы сделать эффект усиления еще более понятным, распределение электрического поля на плоскости xz, соответствующее максимальному поглощению оптимизированного КТИФ на частоте 286 ТГц в нашем исследовании, показано на рис. 10a, которое лежит на сечении y = 0 (соответствующее полю плоскости xz). На рисунке, из направления оси z, усиленное распределение электрического поля лежит в области между смежными металлическими отверстиями, отмеченной красным цветом, и слабое поле лежит в области металлических отверстий, отмеченной синим цветом. Распределение электрического поля напрямую раскрывает усиленное поглощение КТИФ. Именно эффект усиления связывания приводит к увеличению поглощаемости, и далее приводит к высокой квантовой эффективности улучшенного КТИФ. Конечно, те же выводы можно сделать, анализируя распределение магнитного поля согласно свойствам электромагнитных свойств света. Поскольку обсуждение распределения магнитного поля такое же, как распределение электрического поля, в этом исследовании нет необходимости обсуждать его.

Кроме того, как сказано выше, эффект усиления происходит от поверхностных плазмонов, и режим возбужденной поверхностно-плазмонной волны определяется далее. Рис. 10a и b показывают результаты электрического и магнитного полей. На рисунке, рис. 10b показывает распределение поляризации электрического поля на плоскости yz. Можно видеть, что электрическое поле нормально к плоскости yz, то есть электрическое поле не может иметь компоненту E_z. Рис. 10c представляет распределение поляризации магнитного поля. Можно обнаружить, что магнитное поле параллельно плоскости yz, то есть существует компонента Hz в направлении распространения падающего света, которое является z-направлением. Следовательно, в нашем исследовании возбужденная поверхностно-плазмонная волна является TE-режимом. Кроме того, чтобы прояснить позицию, используемую для возбуждения поверхностного плазмонного, распределение магнитного поля بالقرب интерфейса металлического отверстия показано на вершине рис. 10c. Можно видеть, что магнитное поле на позиции между смежными металлическими отверстиями сильнее, чем в металлических отверстиях. Кроме того, согласно электрическому полю, появившемуся на рис. 10a, также можно доказать, что усиленное поле сконцентрировано на месте между смежными металлическими отверстиями. Следовательно, вывод можно сделать, что эффект поверхностного плазмонного может быть от поверхности между металлом и полупроводником, которая лежит на позиции между смежными металлическими отверстиями. Конечно, стоит отметить, что усиление поглощения происходит не только от поверхностного плазмонного, но и от усиленного отражения металлического слоя, приводящего к вторичному поглощению падающего света, так как падающий свет освещает КТИФ вдоль оси z.

Известно, что параметры, связанные с металлическими слоями, также могут оказывать большое влияние на характеристики КТИФ. Для определения оптимальных параметров толщина барьерного слоя и квантово-точечного слоя далее анализируются и обсуждаются при условиях оптимизированной толщины металлического слоя (20 нм) и радиуса металлического отверстия (60 нм). Рис. 11a изображает меняющийся тренд поглощаемости фотодетекторов с разными толщинами барьерного слоя в диапазоне 70–85 нм. На изображении эти кривые поглощаемости имеют похожий меняющийся тренд. Когда толщины барьерного слоя варьируются в диапазоне 70–85 нм, соответствующие максимальные значения поглощаемости улучшенных КТИФ составляют 0.7581 (70 нм, на 322.78 ТГц), 0.7763 (75 нм, на 304.84 ТГц), 0.8552 (80 нм, на 292.75 ТГц) и 0.8346 (85 нм, на 284.17) соответственно. Сравнивая эти максимальные значения поглощаемости, можно обнаружить, что барьерный слой с толщиной 80 нм может иметь лучшую характеристику поглощаемости для улучшенных КТИФ. Фиксируя другие параметры с вышеуказанными оптимизированными значениями, влияние толщин квантово-точечного слоя на характеристики поглощаемости для улучшенных КТИФ далее изучается, и соответствующие кривые показаны на рис. 11b. На рисунке можно обнаружить, что красная кривая может иметь максимальное значение поглощаемости 0.8647 на частоте 295.48 ТГц для улучшенного КТИФ с толщиной слоя 7 нм, что иллюстрирует, что фотодетектор может иметь оптимальное переходное состояние.

На основе вышеуказанного обсуждения ясно, что не только параметры, связанные с КТИФ, могут влиять на характеристики прибора, но и толщины квантово-точечного слоя и барьерного слоя также могут определять характеристики прибора. В этом исследовании, согласно результатам теоретического расчета, оптимизированные параметры для улучшенных КТИФ могут быть даны с толщиной металлического слоя 20 нм, радиусом металлического отверстия 60 нм, толщиной квантово-точечного слоя 7 нм и толщиной барьерного слоя 80 нм. Поглощаемость оптимального фотодетектора может быть высокой до 0.8647. Более того, сравнивая обычный КТИФ с оптимизированным КТИФ как показано на рис. 12, значения поглощаемости в красной кривой довольно выше, чем в синей кривой, кроме значений в диапазоне частот 222.91–262.18 ТГц. Максимальная поглощаемость в красной кривой равна 0.8647 на частоте 295.48 ТГц, что в 1.89 раза больше, чем в синей кривой (которая такая же, как предыдущая кривая, отмеченная «60 нм обычный» на рис. 7b, соответствующая КТИФ без массива металлических отверстий) на частоте 257 ТГц. Сдвиг частоты для пика максимальной поглощаемости в основном результатирует из изменения толщины улучшенного фотодетектора. Кроме того, основанные на оптимизированных параметрах КТИФ, толщинах квантово-точечного слоя и барьерного слоя, значение квантовой эффективности и ответственность фотодетектора рассчитываются.

Квантовая эффективность и ответственность КТИФ

Основываясь на рассчитанных результатах поглощаемости на рис. 12, а также комбинируя с выражением квантовой эффективности и ответственности КТИФ выше, квантовая эффективность КТИФ и ответственность могут быть рассчитаны, и соответствующие результаты изображены на рис. 13a и b. Рис. 13a изображает квантовую эффективность КТИФ. На этом рисунке синяя пунктирная кривая представляет квантовую эффективность КТИФ без металлического массива, другая красная сплошная кривая — оптимизированного КТИФ с металлическим массивом. Сравнивая две кривые, можно наблюдать, что максимальная квантовая эффективность оптимизированного КТИФ составляет 0.2961 на частоте 295.87 ТГц, и это в 1.205 раза больше, чем у обычного КТИФ, который равен 0.2458 на частоте 256.48 ТГц. Возрастающий тренд похож на поглощаемость, предоставленную на рис. 12, что результатирует из введения металлического массива отверстий и оптимизации квантово-точечного инфракрасного фотодетектора. Основываясь на возрастающих трендах для поглощаемости, можно обнаружить, что ответственность КТИФ также раскрывает похожие возрастающие тренды. Конкретно, рис. 13b дает ответственность оптимизированного КТИФ и обычного КТИФ соответственно. На рисунке красная кривая представляет ответственность обычного КТИФ, а синяя кривая — оптимизированного КТИФ с металлическим слоем отверстий. Аналогично анализу на рис. 13a, ответственность составляет 0.0326 мА/Вт на частоте 295.87 ТГц, что на 0.0174 больше, чем у обычного КТИФ на частоте 256.48 ТГц (который составляет 0.0152). Увеличение ответственности может быть доказано в другом частотном диапазоне 229.57–254.41 ТГц, что очевидно демонстрирует усиление характеристик фотодетектора из-за введения металлического массива отверстий и оптимизации квантово-точечных областей. Более того, причины усиления были подробно обсуждены детально анализируя распределение электрического поля квантово-точечных областей выше.

Влияние электродов и подложки

То, что изучалось выше, все под условием игнорирования влияния электродов и подложки; на самом деле электроды и подложка могут иметь определенное влияние на характеристики, но они не влияют на описание усиливающих эффектов характеристик оптимизированного КТИФ с металлическим слоем. Это потому, что электроды и подложка могут иметь почти одинаковое влияние на поглощение КТИФ с металлическим слоем и без металлического слоя. Чтобы проиллюстрировать проблему адекватно, мы пересчитали поглощение КТИФ с учетом влияния, результативного от подложки и электродов, а также квантовой эффективности, ответственности и так далее. Конкретно, хорошо известно, что электроды обычно проектируются на двух концах поглощающей области квантовых точек, и таким образом, как показано на рис. 14a, один находится на вершине обычного КТИФ, а другой — на нижнем конце поглощающей области КТИФ. То есть он лежит на вершине подложки, которая может обеспечивать квантово-точечную поглощающую область смещающим напряжением и передавать ток вместе с вышеуказанными электродами. Здесь стоит упомянуть, что в оптимизированном КТИФ в нашем исследовании используется металлический массив отверстий вместо металлического кольца в качестве электродов. Другой электрод подобен обычному КТИФ. На основе вышеуказанного проекта конкретное распределение электродов четко рассчитано на рис. 14a. Аналогично рис. 14a, на рис. 14b материал электродов выбран как золото, а подложка — как AlGaAs; их толщины составляют 20 нм и 300 нм соответственно.

На основе введения электродов и подложки в структуру КТИФ выше, мы рассчитали поглощение КТИФ, и соответствующие результаты сравниваются с КТИФ без электродов и подложки. Рис. 15 демонстрирует влияние электродов и подложки на поглощаемость КТИФ. На рисунке синяя кривая и розовая кривая — поглощаемость обычного КТИФ без электродов и подложки и оптимизированного КТИФ без электродов и подложки соответственно. Красная пунктирная кривая представляет поглощаемость оптимизированного КТИФ с электродами и подложкой. Ее максимальное поглощение составляет 0.7620 на частоте 304.35 ТГц, что всего на 0.1027 меньше, чем у оптимизированного КТИФ без электродов и подложки. Уменьшение поглощаемости деградирует от потерь электродов и подложки, то же самое, что и зеленая кривая с поглощаемостью обычного КТИФ с электродами и подложкой. Сравнивая поглощаемость обычного КТИФ и оптимизированного КТИФ с электродами и подложкой, усиление очень ясно в поглощаемости оптимизированного КТИФ с электродами и подложкой, что такое же, как оптимизированный КТИФ на рис. 12. Другими словами, хотя электроды и подложка могут приводить к уменьшению поглощаемости, общая поглощаемость оптимизированного КТИФ может быть усилена по сравнению с голым КТИФ, и таким образом уменьшение может быть пренебрежено, так как они могут иметь очень малое влияние на описание усиления оптимизированного КТИФ при использовании металлического массива отверстий.

Кроме того, можно наблюдать, что меняющийся тренд поглощаемости КТИФ с электродами и подложкой не может быть таким же, как предыдущие кривые (соответствующие синей кривой и розовой кривой). Они более сложны с множеством пиковых значений. Причины этого явления можно объяснить следующим образом. Во-первых, добавление электродов и подложки может производить больше или меньше потерь и сдвигов частоты из-за накопленного теплового эффекта и других негативных факторов влияния. Во-вторых, поскольку материал электродов выбран как металл, в оптимизированном КТИФ с электродами и подложкой это может привести к усиленному отражению и усиленному поверхностному плазмонному. Эти две причины совместно способствуют усилению поглощаемости, как продемонстрировано на рис. 15.

Заключение

В заключение, характеристики обычного КТИФ могут быть значительно улучшены добавлением наномасштабного металлического массива наноотверстий, и механизм усиления характеристик для улучшенных КТИФ обсуждается анализируя отражение, пропускание, поглощение и распределение электрического поля. Результаты не только демонстрируют, что улучшенные КТИФ могут иметь более высокую поглощаемость, чем обычные КТИФ, но также указывают на то, что параметры улучшенных КТИФ, связанные с металлическим массивом наноотверстий вместе с квантово-точечным композитным слоем, могут значительно влиять на их характеристики. Согласно теоретическому расчету, оптимизированные параметры улучшенных фотодетекторов составляют 20 нм толщиной металлического слоя, 60 нм радиусом металлического отверстия, 7 нм толщиной квантово-точечного слоя и 80 нм толщиной барьерного слоя. Максимальное значение поглощаемости оптимального фотодетектора может быть высокой до 86.47% на частоте ~300 ТГц. Большое усиление поглощаемости можно атрибутировать локальному эффекту связывания, вызванному усилением эффекта электрического поля через поверхностные плазмоны, и далее приводит к высокой квантовой эффективности и ответственности, которые составляют 0.2961 и 0.0326 мА/Вт соответственно. Считается, что текущий вклад может обеспечить определенное теоретическое руководство для разработки наномасштабных КТИФ с высокой производительностью.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Аббревиатуры

КТИФ:

Квантово-точечные инфракрасные фотодетекторы

Рис:

Рисунок

Уравн:

Уравнения