Excelente confinamiento de luz de matrices de nanocables de semiconductores modificados con hemiellipsoide y hemielipsoide invertido

Densidad de fotocorriente teórica normalizada ( ^N J _ph ) para las matrices de GaAs NW modificadas con hemielipsoide invertido y hemielipsoide en función de la altura del hemielipsoide ( h ) a diferentes alturas totales de a 1000, b 2000 y c 3000 nm. Los diámetros de alambre ( D ) son 100, 300 y 500 nm. La línea de puntos rojos y la línea de trazos rojos en cada figura indican los valores de ^N J _ph de 0,90 y 0,95, respectivamente

Es bien sabido que la antirreflejo es una función inherente para las matrices NW debido a la diferencia reducida entre los índices de refracción del entorno circundante (normalmente aire) y la estructura óptica en comparación con sus contrapartes planas de oblea / película [27, 52]. Sin embargo, la antirreflejo no da como resultado una absorción de luz eficaz debido a la posible mejora de la transmisión de luz a través de los absorbentes. En este estudio, las matrices con D de 100 nm poseen la relación de llenado más baja y, por lo tanto, el índice de refracción efectivo más pequeño. Aunque estas matrices exhiben una excelente antirreflectante, la transmisión de luz es significativamente fuerte, especialmente en el régimen de longitud de onda larga (ver Fig. 3a), es decir, la región de alta densidad de fotones. Además, como se indica en la Fig. 3a, la modificación de la parte superior tiene poca contribución a la antirreflexión, pero conduce a una transmisión de luz mejorada, lo que empeora la absorción de la luz (ver Fig. 3b) y da como resultado la disminución de ^N J _ph para las matrices de 100 nm de diámetro NO. Además, se observa que el principal mecanismo de confinamiento de la luz es el HE ₁₁ modo con fugas (ver el recuadro de la Fig. 3b) para las matrices NW de D =100 millas náuticas [65].

un Reflexión / transmisión y b absorción de las matrices de H =2000 nm y D =100 nm. c Reflexión, d transmisión y e absorción de las matrices de H =2000 nm y D =500 nm. f Absorción de matrices NW puras con D de 100, 300 y 500 nm y H =2000 nm. El recuadro de b muestra la distribución de la intensidad del campo eléctrico del HE ₁₁ modo, y el círculo punteado blanco delinea la periferia del cable. El recuadro de f muestra la distribución de la intensidad del campo eléctrico de la matriz NW pura con H =2000 nm y D =500 nm a la longitud de onda de 810 nm

Para las matrices NW con D más grande de 300 y 500 nm, la relación de llenado y por lo tanto el índice de refracción efectivo aumentan, y la reflexión de la luz se hace evidente, como se muestra en la Fig. 3c. Para estas matrices, la modificación apropiada utilizando tanto hemielipsoide como hemielipsoide invertido puede reducir notablemente la reflexión de la luz, por lo que mejora la absorción de la luz (ver Fig. 3c y e). Además, es evidente que se puede lograr un excelente confinamiento de la luz en una amplia gama de alturas de modificación, proporcionando así comodidad para fabricar los dispositivos de alto rendimiento relacionados. Por ejemplo, como se muestra en la Fig. 2b, ^N J _ph de 0,95 se puede lograr para una matriz NW de 500 nm de diámetro con hemielipsoide invertido en el rango de 350-2000 nm o con hemielipsoide en el rango de 600-2000 nm. Sin embargo, una modificación excesiva (es decir, h es demasiado grande) especialmente para el caso de que el uso de hemielipsoides invertidos conduciría a una transmisión de luz significativamente mejorada y a una absorción de luz reducida alrededor de la energía de banda prohibida, como se muestra en la Fig. 3d y e. En consecuencia, el primer aumento y la siguiente disminución de ^N J _ph se observa para las matrices NW relacionadas (ver Fig. 2).

La Figura 3f muestra los espectros de absorción de las matrices NW puras con D de 100, 300 y 500 nm y H de 2000 nm. Es evidente que el borde de absorción de la luz se desplaza hacia la longitud de onda larga y, mientras tanto, el mecanismo principal de gestión de la luz cambia del modo con fugas a la dispersión de la luz como D aumenta. Además, para NW con D de 500 nm, se pueden observar algunas oscilaciones de absorción alrededor de 800 nm, que se atribuyen a las resonancias longitudinales guiadas, como se muestra en el recuadro de la Fig. 3f. Se conoce que como D aumenta, el umbral / longitud de onda más larga que puede formar un modo longitudinal guiado también aumenta [56, 57]. Para la luz de longitud de onda larga, la disminución de la amplitud cuando se propaga a lo largo del eje del cable es relativamente más débil que la de la luz de longitud de onda corta debido al coeficiente de absorción más pequeño. Si la longitud del cable no es demasiado larga, la onda reflejada del fondo NW puede interferir con la onda entrante para formar las resonancias longitudinales guiadas.

Para comprender mejor la influencia de la modificación superior en la gestión de la luz, la distribución espacial de la tasa de generación de portadoras para las matrices ( H =2000 nm y D =500 nm) modificado por hemielipsoides ( h =500 nm) y hemieliopsoides invertidos ( h =500 nm) a AM 1,5 G de iluminación se muestra en la Fig. 4. La distribución correspondiente en la matriz NW pura con H y D de 2000 y 500 nm también se presenta para comparación. Es obvio que la región de distribución de los portadores fotogenerados se expande debido al efecto sinérgico de la antirreflexión mejorada y la dispersión de la luz después de introducir la modificación superior apropiada. Es consistente con el ^N mejorado J _ph / confinamiento de luz mejorado para las matrices modificadas, como se muestra en la Fig. 2b. Además, la expansión de la distribución de portadores fotogenerada es beneficiosa para la colección de portadores, especialmente para el pn plano. configuración de la unión y, mientras tanto, hace que las estructuras sean más tolerables a los defectos generales / malas calidades del material. Vale la pena señalar que en comparación con la matriz NW pura, la modificación superior también conduce a una densidad de portadores notablemente aumentada en la superficie, y la pasivación de la superficie es necesaria para reducir las pérdidas de recombinación de superficie de los portadores fotogenerados para tales matrices [66, 67].

Distribución espacial de la tasa de generación de portadora fotogenerada con iluminación AM 1.5G para los arreglos ( H =2000 nm y D =500 nm) modificado en la parte superior por (izquierda) hemielipsoides ( h =500 nm) y hemielipsoides invertidos (en el medio) ( h =500 nm). La tasa de generación (derecha) en la matriz NW pura de H =2000 nm y D =500 nm se presenta para comparación

Como excelente absorbente de luz, es necesaria una captura de luz eficaz bajo incidencia oblicua. La Figura 5 muestra los espectros de absorción en el ángulo de incidencia, α =0, 30 y 60 grados (°) para las matrices NW de (a) hemielipsoide y (b) hemielipsoide modificado con hemielipsoide invertido con los mismos parámetros estructurales que las matrices que se muestran en la Fig. 4. Es notable que incluso en α =60 °, solo se observa una degradación limitada, lo que indica un excelente confinamiento de luz omnidireccional por ambas modificaciones. La densidad de fotocorriente calculada, J _ph para estas dos matrices se resume en el recuadro de la Fig. 5a y b. Se nota que en comparación con J _ph de ~ 27,7 y 16,0 mA / cm ² para un absorbedor de GaAs ideal en α =30 ° y 60 °, respectivamente, el valor correspondiente para ambas matrices NW modificadas solo muestra una reducción limitada.

Espectros de absorción de a hemiellipsoid- y b matrices de GaAs NW modificadas con hemielipsoide invertido ( H =2000 nm, D =500 nm y h =500 nm) en el ángulo de incidencia ( α ) de 0, 30 y 60 °. Las tablas insertadas resumen la densidad de fotocorriente teórica ( J _ph ) para estas dos matrices NW modificadas en la parte superior en los ángulos de incidencia correspondientes, respectivamente

Se sabe que para los NW fabricados experimentalmente, las superficies normalmente no son tan lisas como las adoptadas en las simulaciones. Para comprobar la validez de los resultados de la simulación para guiar el estudio experimental, se simularon las características ópticas de las matrices de GaAs NW con una sección transversal de alambre ortohexagonal y se compararon con las de las matrices NW correspondientes con una sección transversal de alambre circular. La Figura 6 compara los espectros de absorción de estos dos tipos de matrices con el mismo volumen (caracterizado por el diámetro (100, 300 y 500 nm) del círculo NW) y la longitud del cable de 2 μm en el rango espectral de 310 nm (4 eV ) a 873,2 nm (1,42 eV, es decir, la energía de banda prohibida de GaAs). Se observa que no hay diferencias evidentes de los comportamientos ópticos entre estos dos tipos de matrices NW en el rango espectral considerado. En consecuencia, se cree que los resultados de la simulación concluidos a partir de las matrices NW con una sección transversal de cable circular también son aplicables a otras matrices con una sección transversal de cable diferente.

Comparación de los espectros de absorción de las matrices de NW puro de GaAs con las secciones transversales de alambre circular y ortohexagonal. El período de la matriz y la longitud del cable son 600 nm y 2 μm, respectivamente. Los volúmenes de cable para las matrices NW correspondientes son los mismos y se caracterizan por el diámetro (100, 300 y 500 nm) de los NW con una sección transversal circular

Además, a partir de la discusión anterior, se evidencia que la combinación de la modificación superior para la modulación espacial del índice de refracción y la dispersión de luz mejorada por la estructura inferior con dimensión característica combinada es una guía de fácil manejo para guiar el diseño de absorbedores de luz de alto rendimiento.