Высокая поглощающая способность фотонов в инфракрасных фотодетекторах с квантовыми точками, достигнутая за счет эффекта поверхностного плазмона металлической решетки наноотверстий

Фон

Полупроводниковые инфракрасные фотодетекторы могут использоваться для обнаружения инфракрасного света и имеют многообещающее применение в областях научных исследований, создания цифровых изображений, оптической связи и военной области. На сегодняшний день инфракрасные фотодетекторы с квантовыми точками (QDIP) привлекают все большее внимание в последние годы из-за их выдающихся характеристик светового отклика и тенденции к миниатюризации устройств [1,2,3]. Хотя десятилетия упорных усилий ученые добились большого прогресса в разработке технологий для получения высокопроизводительных QDIP, они все еще нуждаются в дальнейших улучшениях для решения задач миниатюризации устройств [4] и практических требований. Отмечается, что металлическая решетка связи на активной области на основе квантовых точек может рассматриваться как эффективный подход для улучшения характеристик QDIP [5, 6], которые могут обеспечивать высокий коэффициент фотопоглощения за счет локальной фотосвязи плазмонно-усиленных эффект.

По имеющимся данным, для улучшения характеристик QDIP используются два основных типа металлических решетчатых структур. Одна из них представляет собой решетчатую структуру с металлическими отверстиями, а другая - металлическую решетчатую структуру без отверстий. Более конкретно, что касается структуры массива металлических отверстий, группа Чанга объединила периодическую решетку металлических отверстий со слоем квантовых точек в QDIP в 2007 году, что привело к сверхнормальному пропусканию света фотодетектором [7]. В 2009 году Ли и др. предложил метод высокодетектирующего QDIP путем интеграции металлических фотонных кристаллов с периодом матрицы дырок 3,6 мкм (толщина 100 нм) [8]. Результаты исследования показывают, что этот метод может реализовать пиковый отклик фотодетектора на длине волны 11,3 мкм и обеспечить до 30 раз улучшенную обнаруживающую способность по сравнению с тем, что без металлического фотонного кристалла. Затем они обсудили характеристики зависимости QDIP от падающего света и их применение в матрице фокальной плоскости [9, 10]. Аналогичное повышение производительности можно также найти в отчетах при использовании решетки связи с решеткой из металлических отверстий [11,12,13,14]. Также предлагаются конструкции металлических массивов без отверстий. В 2011 году Хуанг и его коллеги использовали самоорганизованный слой плазмонных наночастиц серебра для усиления широкого спектрального отклика QDIP и получили увеличение в 2,4 ~ 3,3 раза [15]. В 2014 году группа Чена сообщила, что характеристики фотодетектора могут быть улучшены за счет эффекта ближнего поля наночастиц Au [16]. В 2015 году группа Дина и группа Вана предложили волноводные соединительные конструкции и единый резонатор распределенного пражского отражателя [17, 18] соответственно. Помимо вышеупомянутых структур, были также обсуждены и проанализированы другие металлические конструкции, например решетка антенных полос и массив нанодисков [19,20,21].

Однако эти методы массива без отверстий также могут демонстрировать повышенный эффект фотоотклика QDIP, но процесс их изготовления с помощью экономичных и простых методов все еще остается проблемой по сравнению с типичной структурой массива отверстий. Для типичных структур массива отверстий размер массива отверстий является обычным в микромасштабе. Увеличение фотоотклика происходит за счет плазмонного эффекта на границе раздела между воздухом в микромасштабных металлических отверстиях и полупроводником ниже. Размер массива металлических отверстий может быть дополнительно уменьшен до ожидаемого наноразмерного соответствия размеру квантовой точки в наноразмерном QDIP, независимо от того, могут ли быть реализованы высокопроизводительные QDIP с соответствующим эффектом улучшения или нет. В то же время необходимы дальнейшие теоретические работы для выяснения механизмов, лежащих в основе этих явлений. В этом исследовании, чтобы прояснить это явление, разработаны QDIP с наноразмерными структурами массива металлических отверстий, и, что более важно по сравнению с обычными QDIP микромасштабного масштаба, эффект усиления объясняется путем анализа условий оптической передачи и распределения электрического поля. . Результаты демонстрируют, что QDIP с наноразмерными металлическими матричными структурами могут иметь поглощающую способность фотонов до 86,47% из-за взаимодействия фотона с квантовой точкой и эффективного взаимодействия света, что может открыть дверь к дизайну и оптимизации наноразмерного инфракрасного излучения. фотоприемник.

Проектная модель QDIP с массивом Nanohole

Как правило, QDIP состоит из области квантовых точек и электродов, а область квантовых точек состоит из слоя квантовых точек с периодом и барьерных слоев. В идеальных условиях (без учета влияния электродов и подложки) оптическое пропускание всего QDIP можно предположить равным пропусканию области квантовой точки. Таким образом, электроды и подложка не нужны в конструкции QDIP. В частности, на рис.1а представлена ​​конструкция типичного QDIP, который состоит из 5-периодных композитных слоев квантовых точек, и эти композитные слои состоят из барьерного слоя A1GaAs и слоев GaAs, включая периодические квантовые точки (рис. 1б). В текущей конфигурации наночастицы квантовых точек предполагаются в виде куба, который соответствует определению квантовых точек, образованных множеством атомов и молекул, и имеет длину 40 нм, ширину 40 нм и 7 ~ 9 нм в высоту. Аналогичную модель квантовых точек можно также найти в опубликованной литературе [22]. Площадь QDIP установлена ​​как 1000 нм × 1000 нм, а толщина барьерных слоев AlGaAs составляет 60 нм. Металлический массив наноотверстий, выбранный в качестве Au, помещается на слои наноструктуры обычных квантовых точек обычного QDIP, который назван улучшенным QDIP, показанным на рис. 2. Радиус отверстий можно регулировать в диапазоне 50 ~ 70 нм. . Следует отметить, что материал, из которого изготовлена ​​квантовая точка, нельзя просто рассматривать как объемный материал с определенным показателем преломления. На рисунке 3 показана электрическая дисперсионная характеристика материала GaAs, используемого для формирования квантовой точки, с использованием метода Эдварда Д. Палика [23]. На рисунке синяя кривая и красная кривая представляют диэлектрическую проницаемость GaAs ε ^′ и ε ^″ , соответственно. На рис. 4 а и б показаны электрические дисперсионные характеристики GaAs, Al _0,3 . Ga _0,7 В качестве материала и материала золота соответственно.

а Структурная модельная схема типичного инфракрасного фотоприемника с квантовыми точками. б Распределение квантовых точек в активных областях с 5-периодными композитными слоями квантовых точек. Эти композитные слои состоят из барьерного слоя A1GaAs и слоев GaAs

Активные области с квантовыми точками с периодической структурой массива металлических нанотверстий для улучшенного QDIP

Дисперсионное соотношение материала GaAs

а Дисперсионное соотношение материала AlGaAs. б Соотношение дисперсии материала Au

Метод расчета на основе ячейки YEE

На основе разработанной выше физической модели метод интегрирования конечных элементов используется для расчета условий оптической передачи. Прежде всего, на основе ячеек YEE интегральные уравнения Максвелла, удовлетворяющие описанной выше модели, записываются следующим образом:

В нашем расчете уравнения 1–4 дискретизированы. Как распределение узлов электрического поля, так и узлы магнитного поля выбраны как формат «Ячейка Йи». Используя уравнение. 1 в качестве примера электромагнитную модель фотоприемника можно принять как накопление «Ячейки Йи». Как показано на рис. 5, четыре стороны произвольной ячейки соответствуют уравнению. 1, представляющий вектор электрического поля e _я , e _j , e _k , и e _l . Вектор, расположенный в нормальном направлении, - это вектор магнитного поля b _n , и, таким образом, предыдущее уравнение. 1 можно переписать в виде следующего уравнения. 5.

Принципиальная схема «YEE ячейки»

Используя аналогичный метод, уравнение электромагнитной модели всего фотоприемника можно записать как:

Уравнение 2 также можно переписать как:

Согласно аналогичному методу другие уравнения 2 ~ 4 можно дискретизировать как:

Комбинируя дискретизированные уравнения. 7–10 с ограничивающим условием, электрическое и магнитное поля могут быть решены итерационным методом. В этом исследовании структура массива металлических отверстий помещена поверх обычного QDIP, и, как таковая, структура может способствовать световому взаимодействию через брэгговское рассеяние. Соответствующая оптическая связь рассчитывается дополнительно, что может быть обсуждено в следующем разделе, когда заданы условия передачи, отражения и поглощения. Кроме того, на основе соотношения между поглощением и квантовой эффективностью можно определить чувствительность QDIP. Следует конкретизировать, поскольку хорошо известно, что чувствительность QDIP как очень важный параметр производительности может быть рассчитана по соотношению фототока и мощности падающего света [24]. Итак, это можно записать как:

где I _фото фототок QDIP, P мощность падающего света, g коэффициент фотопроводимости, e - заряд электрона, h постоянная Планка, v - частота падающего света, а η квантовая эффективность.

Квантовая эффективность может быть определена как отношение количества электронной дырки к количеству падающей фотографии, которое сильно зависит от поглощения фотодетектора. На практике, поскольку падающий свет непосредственно освещает область поглощения, он не может полностью поглощаться из-за отражения верхнего контактного слоя или металлического слоя [25, 26]. Таким образом, квантовая эффективность QDIP может быть записана как:

где α ₀ Вт коэффициент поглощения QDIP, α ₀ г - коэффициент поглощения падающего контактного слоя, r является отражением падающего слоя соответственно.

В QDIP коэффициент усиления фотопроводимости можно определить как отношение времени рекомбинации электронов из расширенного состояния обратно в квантовую точку τ _жизнь ко времени пролета электронов через устройство τ _всего , и это может быть показано как:

и при условии, что время прохождения через один период композитного слоя квантовой точки значительно меньше, чем время рекомбинации из расширенного состояния обратно в квантовую точку [22, 27] _, коэффициент усиления можно записать как:

где K - это номер - композитный слой с квантовыми точками, L расстояние между слоями квантовых точек, μ подвижность электронов, E - плотность электрического поля на QDIP, v _s - скорость насыщения электронов, h _QD высота квантовых точек, ∑ _QD - плотность квантовых точек в каждом слое квантовых точек, a _QD - поперечный размер квантовых точек, а V _t - скорость захвата электронов соответственно.

Представленное уравнение. (12) и уравнения. (14) в уравнение. (11), мы можем получить чувствительность QDIP, которая может быть представлена ​​как:

Результаты и обсуждение

Основываясь на конструкции QDIP, описанной выше, если падающий инфракрасный свет падает на верхнюю часть этих QDIP в z В направлении оси фотодетекторы будут отражать и пропускать падающий свет. Поглощающую способность фотодетекторов можно определить, изучая эти условия оптического пропускания падающего света, которые могут играть очень важную роль в оценке характеристик фотодетектора. На рис. 6 представлены условия их отражения от фотоприемника без металлической матрицы (обычный QDIP) и от металлического массива (улучшенный QDIP). Сравнивая с двумя кривыми на рис.6, можно обнаружить, что значения коэффициента отражения обычного QDIP немного меньше, чем у улучшенного QDIP, за исключением отдельных значений в частотных диапазонах 250 ~ 260 ТГц и 279 ~ 293 ТГц. . В частности, если взять значение на частоте 219 ТГц в качестве примера, значение коэффициента отражения обычного QDIP составляет -3,91 дБ, а улучшенного QDIP - всего 1,31 дБ. Как было сказано выше, улучшенный QDIP может иметь немного более высокое значение, чем традиционный QDIP, но можно обнаружить, что минимальное поглощение улучшенного QDIP значительно меньше, чем у обычного QDIP. В частности, минимальное поглощение улучшенного QDIP составляет -16,17 дБ на частоте 255,10 ТГц, тогда как значение для обычного QDIP равно -13,42 дБ на частоте 254,86 ТГц. Низкий коэффициент отражения улучшенного QDIP можно объяснить более высоким коэффициентом поглощения инфракрасного света у металла, чем у полупроводника. Поглощение можно рассчитать на основе общих вкладов отражения и пропускания. На рисунке 7а показан коэффициент передачи обычного QDIP, и их значения, отмеченные синим цветом, явно больше, чем у улучшенного QDIP в общем диапазоне частот 200 ~ 340 ТГц. Например, на частоте 298 ТГц коэффициент передачи улучшенного QDIP составляет всего -10,83 дБ, что в 1,60 раза меньше, чем у обычного QDIP, который составляет -4,15 дБ. Согласно конкурентным отношениям между пропусканием, отражением и поглощением, уменьшение коэффициента пропускания приведет к увеличению поглощения при условии игнорирования других потерь падающего света.

Коэффициенты отражения обычного QDIP без металлического массива (синяя кривая) и улучшенного QDIP с металлическим массивом наноотверстий (красная кривая)

Коэффициенты передачи ( a ) и коэффициентов поглощающей способности ( b ) обычного QDIP и улучшенного QDIP соответственно

Комбинируя ситуацию передачи на фиг. 7a с ситуацией отражения на фиг. 6, можно вычислить поглощающую способность QDIP, которая показана на фиг. 7b. На рисунке красная кривая (отмеченная как улучшенная на 60 нм) описывает поглощающую способность улучшенного QDIP с металлической структурой, а другая синяя кривая представляет обычный QDIP без металлической дырочной структуры (отмечена как обычная 60 нм). Сравнивая две кривые, можно обнаружить, что поглощающая способность улучшенного QDIP выше, чем у обычного QDIP. Максимум поглощающей способности улучшенного QDIP составляет 0,782 на частоте 286 ТГц, что в 1,71 раза выше, чем у обычного QDIP, который составляет всего 0,458 на частоте 257 ТГц. Причины увеличения поглощающей способности улучшенного QDIP можно объяснить следующим образом. Структуры массива металлических нанотверстий вводятся поверх обычного QDIP, и такая конфигурация может способствовать эффекту поверхностного плазмонного резонанса, что приводит к локальному эффекту связи падающего света. Кроме того, эффект локальной связи может заставить больше падающего света попадать в слои полупроводниковых квантовых точек ниже, что может привести к высокому поглощению падающего света и иметь лучшие фотоэлектрические свойства с большим фототоком и более высокой квантовой эффективностью.

Чтобы еще больше прояснить, как реализовать эффект усиления плазмонов в улучшенных QDIP, мы также изучаем влияние различных металлических наноразмерных структур на поглощающую способность улучшенных QDIP. Как показано на рис. 8а, кривые поглощающей способности улучшенных QDIP с различным радиусом металлических нанотверстий соответствуют черной (50 нм), зеленой (55 нм), красной (60 нм) и синей (65 нм) кривым, соответственно. Значения поглощающей способности улучшенного QDIP показывают различную тенденцию к изменению под разными наноотверстиями. Пиковые значения поглощательной способности для улучшенного QDIP 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, что среди этих фотоприемников улучшенный QDIP с радиусом отверстия 60 нм может иметь лучшие характеристики поглощения. В то же время хорошо известно, что толщина слоя металлических отверстий также может влиять на поглощающую способность. Как показано на рис. 8b, при изменении толщины металлического слоя в улучшенном QDIP с 10 до 40 нм пиковые значения поглощательной способности соответственно изменяются с 0,667 (263 ТГц для толщины 10 нм) до 0,782 (286 ТГц для толщины 10 нм). ТГц для 20 нм), 0,662 (293 ТГц для 30 нм) и 0,590 (262 ТГц для 40 нм). Среди этих пиковых значений самый высокий коэффициент поглощения может иметь металлический слой с наноотверстиями толщиной 20 нм.

Поглощающая способность улучшенного QDIP ( a ) с разным радиусом и разной толщиной металла металлических наноотверстий ( b)

Чтобы прояснить вышеупомянутый феномен, мы дополнительно исследуем условия распределения электрического поля на верхней поверхности улучшенного QDIP с разными радиусами металлических отверстий на частоте 286 ТГц. На рис. 9 показано распределение электрического поля при различных радиусах металлических отверстий в диапазоне 50–65 нм. Сравнивая четыре изображения на рис. 9a, становится ясно, что QDIP с радиусом отверстия 50 нм (рис. 9a) и 55 нм (рис. 9b) могут иметь относительно более слабое усиление электрического поля из-за соответствующих распределений электрического поля в Рис.9 a и b лежат на всей площади, включая отверстия и прилегающие к ним области, и, таким образом, их эффекты локальной связи электрического поля можно не учитывать, тогда как область локальной связи электрического поля с сильным электрическим полем можно наблюдать на рис. . 9 в и г. Распределения сильного электрического поля вокруг отверстий на рис. 9c и d с формой кольца могут быть расположены на границе раздела между металлическими отверстиями и воздухом в металлических отверстиях в результате эффекта связи поверхностных плазмонов. По сравнению с распределениями электрического поля на рис. 9c и d, эффект связи электрического поля на рис. 9c сильнее, чем на рис. 9d, в зависимости от их отмеченных цветов, которые представляют собой смесь красного, зеленого и синего цветов. В этом отношении красный цвет обозначает самое сильное поле, а синий цвет - самое слабое поле. На основании приведенного выше анализа металлические наноотверстия радиусом 60 нм действительно создают эффект усиления электрического поля за счет поверхностного плазмона. Чтобы сделать эффект усиления более четким, распределение электрического поля на xz -плоскость, соответствующая максимальному поглощению оптимизированного QDIP на частоте 286 ТГц в нашем исследовании, как показано на рис. 10а, который находится на участке y =0 (соответствует полю xz -самолет). На рисунке с направления z -оси усиленное распределение электрического поля находится в области между соседними металлическими отверстиями, отмеченными красным цветом, а слабое поле - в области металлических отверстий, отмеченных синим цветом. Распределение электрического поля прямо указывает на повышенное поглощение QDIP. Именно эффект усиления связи приводит к увеличению поглощающей способности и, кроме того, к высокой квантовой эффективности улучшенного QDIP. Конечно, к таким же выводам можно прийти, анализируя распределение магнитного поля согласно свойствам электромагнитных свойств света. Поскольку обсуждение распределения магнитного поля такое же, как и распределение электрического поля, его нет необходимости обсуждать в этом исследовании.

Распределение электрического поля улучшенных QDIP с разными радиусами металлических наноотверстий: a г =50 нм, b г =55 нм, c г =60 нм, и d г =65 нм

а x -направленное электрическое поле оптимизированного QDIP. б Поляризация электрического поля улучшенного QDIP. c Поляризация магнитного поля улучшенного QDIP

Кроме того, как было сказано выше, эффект усиления исходит от поверхностного плазмона, и дополнительно определяется мода возбужденной поверхностной плазмонной волны. На рисунках 10a и b показаны результаты измерения электрического и магнитного полей. На рисунке 10b показано распределение поляризации электрического поля на yz -самолет. Видно, что электрическое поле нормально к yz -плоскость, то есть электрическое поле не может иметь E _z компонент. На рисунке 10в показано распределение поляризации магнитного поля. Можно обнаружить, что магнитное поле параллельно yz -плоскость, то есть есть составляющая Hz в направлении распространения падающего света, которая равна z -направление. Следовательно, в нашем исследовании возбужденная поверхностная плазмонная волна является ТЕ-модой. Кроме того, чтобы прояснить положение, используемое для возбуждения поверхностного плазмона, распределение магнитного поля вблизи границы раздела металлических отверстий показано в верхней части рис. 10c. Видно, что магнитное поле между соседними металлическими отверстиями сильнее, чем в металлических отверстиях. Кроме того, согласно электрическому полю, изображенному на рис. 10а, это также может доказать, что поле усиления сосредоточено в месте между соседними металлическими отверстиями. Следовательно, можно сделать вывод, что эффект поверхностного плазмона может происходить от поверхности между металлом и полупроводником, которая находится между соседними металлическими отверстиями. Конечно, стоит отметить, что увеличение поглощения происходит не только из-за поверхностного плазмона, но и из-за усиленного отражения металлического слоя, что приводит к вторичному поглощению падающего света, поскольку падающий свет освещается на QDIP вдоль ось z.

Хорошо известно, что параметры, относящиеся к металлическим слоям, также могут иметь большое влияние на характеристики QDIP. Для определения оптимальных параметров толщина барьерного слоя и слоя квантовых точек дополнительно анализируется и обсуждается в условиях оптимизированной толщины металлического слоя (20 нм) и радиуса металлических отверстий (60 нм). На рис. 11а показан тренд изменения поглощательной способности фотоприемников с различной толщиной барьерного слоя в диапазоне 70–85 нм. Судя по изображению, эти кривые поглощения имеют аналогичную тенденцию изменения. Когда толщина барьерного слоя изменяется в диапазоне 70 ~ 85 нм, соответствующие значения максимальной поглощающей способности улучшенных QDIP составляют 0,7581 (70 нм, при 322,78 ТГц), 0,7763 (75 нм, при 304,84 ТГц), 0,8552 (80 нм, при 292,75 ТГц) и 0,8346 (85 нм, при 284,17) соответственно. По сравнению с этими максимальными значениями поглощающей способности можно обнаружить, что барьерный слой толщиной 80 нм может иметь лучшие характеристики поглощающей способности для улучшенных QDIP. Зафиксировав другие параметры с указанными выше оптимизированными значениями, дополнительно изучается влияние толщины слоя квантовых точек на характеристики поглощения для улучшенного QDIP, и соответствующие кривые показаны на рис. 11b. Из рисунка видно, что красная кривая может иметь максимальное значение поглощающей способности 0,8647 на частоте 295,48 ТГц для улучшенного QDIP с толщиной слоя 7 нм, что показывает, что фотодетектор может иметь оптимальное переходное состояние.

Впитывающая способность улучшенного QDIP с различной толщиной a слой квантовых точек и b барьерный слой

Из приведенного выше обсуждения становится ясно, что не только параметры, относящиеся к QDIP, могут влиять на производительность устройства, но также толщина слоя квантовых точек и барьерного слоя также может определять производительность устройства. В этом исследовании, согласно результатам теоретических расчетов, оптимизированные параметры для улучшенных QDIP могут быть заданы с толщиной металлического слоя 20 нм, радиусом металлических отверстий 60 нм, толщиной слоя квантовых точек 7 нм и барьерного слоя толщина 80 нм. Поглощающая способность оптимального фотоприемника может достигать 0,8647. Более того, сравнивая обычный QDIP с оптимизированным QDIP, как показано на рис. 12, значения поглощающей способности на красной кривой значительно выше, чем на синей кривой, помимо значений в диапазоне частот 222,91 ~ 262,18 ТГц. Максимальный коэффициент поглощения на красной кривой равен 0,8647 на частоте 295,48 ТГц, что в 1,89 раза больше, чем на синей кривой (которая совпадает с предыдущей кривой, обозначенной «60 нм условно» на рис. 7b, соответствующей QDIP без решетки металлических отверстий) на частоте 257 ТГц. Частотный сдвиг пика максимального поглощения в основном является результатом изменения толщины улучшенного фотодетектора. Furthermore, based on the optimized parameters of the QDIPs, the thicknesses of the quantum dot layer and the barrier layer, the quantum efficiency value and the responsivity of the photodetector are calculated out.

Absorptivity of the conventional QDIP in blue curve and improved QDIP in red curve with the barrier layer thickness of 80 nm

Quantum Efficiency and Responsivity of the QDIP

Based on the calculated results of the absorptivity in Fig. 12 as well as combining with the expression of the quantum efficiency and the responsivity of the QDIP above, the quantum efficiency of the QDIP and the responsivity can be calculated out, and the corresponding results are plotted in Fig. 13 a and b. Figure 13a depicts the quantum efficiency of the QDIP. In this figure, the blue dotted curve represents the quantum efficiency of the QDIP without metal array, the other red full curve is that of the optimized QDIP with metal array. Making a comparison between the two curves, it can be observed that the maximum quantum efficiency of the optimized QDIP is 0.2961 at the frequency of 295.87 Thz, and it is 1.205 times than that of the conventional QDIP, which is equal to 0.2458 at the frequency of 256.48 Thz. The increasing trend is similar to the absorptivity provided in Fig. 12 which results from the introduction of the metal hole array and the optimization of the quantum dot infrared photodetector. Based on the increasing trends for the absorptivity, we can find that the responsivity of the QDIP also reveals similar increasing trends. To be specific, Fig. 13b gives the responsivity of the optimized QDIP and the conventional QDIP, respectively. In the figure, the red curve is on behalf of the responsivity of the conventional QDIP, and the blue curve stands for that of the optimized QDIP with the metal holes layer. Similar to the analysis in Fig. 13a, the responsivity is 0.0326 mA/W at the frequency of 295.87 Thz, which is 0.0174 larger than that of the conventional QDIP at the frequency of 256.48 Thz (which is 0.0152). The increase in the responsivity can be proven in the other frequency band in the range of 229.57~254.41 Thz, which obviously demonstrates the enhancement in the performance of the photodetector due to the introduction of the metal hole array and the optimization of the quantum dot regions. Moreover, the reasons for the enhancement were detailedly discussed in detail analyzing the electric field distribution of quantum dot regions above.

а Quantum efficiency of QDIP. б Responsivity of QDIP

Influence of the Electrodes and the Substrate

What was studied above is all under the condition of ignoring the influence of the electrodes and the substrate; in fact, the electrodes and the substrate can have certain influences on the performance, but they do not influence the description of the enhancement effects of the performance of the optimized QDIP with the metal layer. This is because the electrodes and the substrate can have almost the same influence on the absorption of the QDIP with the metal layer and without the metal layer. To illustrate the issue adequately, we recalculated the absorption of the QDIP considering the influence resulting from the substrate and the electrodes as well as the quantum efficiency, the responsivity, and so on. To be concrete, it is well known that the electrodes are generally designed at the two ends of the absorption region of the quantum dots, and thus, as shown in Fig. 14a, one is at the top of the conventional QDIP and the other is at the bottom end of the absorption region of the QDIP. That is to say, it lies at the top of the substrate, which can provide the quantum dot absorption region with the bias voltage and transmit current together with the electrodes said above. Here, it is worth mentioning that there is the metal hole array instead of the metal ring in the optimized QDIP in our study used as the electrodes. The other electrode is similar to that of conventional QDIP. Based on the above design, a concrete distribution of the electrodes is clearly calculated in Fig. 14a. Similar to Fig. 14a, in Fig. 14 b, the material of the electrodes is chosen as gold, and the substrate is chosen as AlGaAs; their thicknesses are 20 nm and 300 nm, respectively.

а Conventional QDIP with electrodes and substrate. б Optimized QDIP with the electrodes and substrate

Based on the introduction of electrodes and substrate in the structure of the QDIP above, we calculated the absorption of the QDIPs, and the corresponding results are compared with the QDIP without the electrodes and the substrate. Figure 15 demonstrates the influence of the electrodes and substrate on the absorptivity of the QDIP. In the figure, the blue curve and the pink curve are the absorptivity of the conventional QDIP without the electrodes and the substrate and that of the optimized QDIP without the electrodes and the substrate, respectively. The red dashed curve represents the absorptivity of the optimized QDIP with the electrodes and the substrate. Its maximum absorption is 0.7620 at the frequency of 304.35 Thz which is just 0.1027 smaller than that of the optimized QDIP without electrodes and substrate. The decrease of the absorptivity is degraded from the loss of the electrodes and the substrate, the same as the green curve with the absorptivity of the conventional QDIP with the electrodes and substrate. Compared with the absorptivity of the conventional QDIP and optimized QDIP with electrodes and substrate, the enhancement is very clear in the absorptivity of the optimized QDIP with electrodes and substrate, which is the same as the optimized QDIP in Fig. 12. In other words, though the electrodes and the substrate can result in the decrease of the absorptivity, the total absorptivity of the optimized QDIP can be enhanced compared with that of bare QDIP, and thus, the decrease can be negligible as they can have a very small influence on the description of the enhancement of the optimized QDIP when using the metal hole array.

Absorption of the QDIP with electrodes and substrate

In addition, it can be observed that the change trend of the absorptivity of the QDIP with the electrodes and substrate cannot be the same as the previous curves (corresponding to the blue curve and pink curve). They are more complex with many peak values. The reasons for this phenomenon can be explained as follows. First of all, the addition of the electrodes and the substrate can produce more or less a loss and the frequency shifts due to the accumulated heating effect and the other negative influence factors. Secondly, since the material of the electrodes is chosen as the metal, in the optimized QDIP with the electrodes and the substrate, it can result in enhanced reflection and enhanced surface plasmon. The two reasons commonly favor the enhancement of the absorptivity as demonstrated in Fig. 15.

Выводы

In conclusion, the conventional QDIP performance can be greatly improved by adding the nanoscale metal nanohole array, and the enhanced mechanism of the performance for improved QDIPs is discussed by analyzing the reflection, the transmission, the absorption, and the distribution of the electric field. The results not only demonstrate that the improved QDIPs can have higher absorptivity than that of conventional QDIPs but also indicate that the parameters of the improved QDIPs related to the metal nanohole array together with the quantum dot composite layer can significantly influence their performance. According to theoretical calculation, the optimized parameters of the improved photodetectors are 20 nm in metal layer thickness, 60 nm in metal hole radius, 7 nm in quantum dot layer thickness, and 80 nm in barrier layer thickness. The maximum absorptivity value of the optimized photodetector can be as high as 86.47% at the frequency of ~ 300 Thz. The great enhancement of the absorptivity can be attributed to the local coupling effect caused by the enhancement of the electric field effect via the surface plasmon, and further leads to the high quantum efficiency and responsivity, which are 0.2961 and 0.0326 mA/W, respectively. It is believed that the current contribution could provide certain theoretical guidance for developing nanoscale QDIPs with high performance.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Сокращения

QDIPs:

Quantum dot infrared photodetectors

Fig

Figure

Eqs

Equations