Ingeniería de captura de luz para las mejoras de la fotodetección selectiva de espectro y de banda ancha mediante matrices de microcavidades dieléctricas autoensambladas

Resultados y discusión

Las vistas en sección transversal y superior de la estructura del dispositivo en el PD de silicio PIN decorado con ZnO MCA se muestran esquemáticamente en la Fig. 1a yb, respectivamente. Aquí, los MCA de ZnO fabricados con el diámetro real del núcleo de 470 nm cuando se utilizan las nanoesferas de 530 nm-PS como plantilla, en referencia a los detalles experimentales y los procesos de fabricación en (archivo adicional 1:Figura S1), en los PIN PD están bien ordenados en la disposición monocapa con un paquete cerrado hexagonal como se muestra en la Fig. 1c. La forma esférica aceptable de las cavidades, excepto por el área de contacto con el sustrato, se puede reconocer bien en las imágenes SEM transversales y tituladas de la Fig. 1d y el archivo adicional 1:Figura S2a. La superficie interior lisa también se puede visualizar en la morfología interna de esta cavidad óptica como se ve en el archivo adicional 1:Figura S2b, que sería comprensiblemente beneficioso para la luz que resuena en la estructura de la cavidad. El grosor real de la cáscara ( T _caparazón ) en la cavidad se midió en ~ 40 nm (Archivo adicional 1:Figura S2b). Además, se puede ver un color de difracción claro en las matrices ZnO MCA fabricadas a gran escala en el sustrato PIN como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S3a, que se origina en el efecto de difracción de la capa ZnO MCA que ocurrió en los ángulos específicos que satisfacen los de Bragg ecuación [30]. Es bien sabido que cuando los parámetros de la cavidad (p. Ej., Diámetro y grosor) coinciden con la longitud de onda de la luz, se generarían resonancias en modo galería susurrante (WGM). Por lo tanto, en este tipo de PD PIN decoradas con MCA, se puede esperar el confinamiento de la luz y el acoplamiento en la capa activa de PD a través de los modos con fugas [30] y la consecuente mejora de la captura de luz en los dispositivos.

Ilustración esquemática de a los MCA de ZnO decoraron los PIN PD y b la vista superior del dispositivo PIN. c , d Las imágenes SEM planas y transversales de los MCA de ZnO fabricados en el PIN PD

Para verificar el confinamiento de la luz y las propiedades de atrapamiento de los MCA de ZnO fabricados, se examinó en primer lugar el espectro de transmisión simulado FDTD para los MCA de ZnO en el sustrato de zafiro como un caso simplificado y se comparó con los resultados experimentales, como se muestra en la Fig. 2a yb . Varios valles distinguidos pueden resolverse bien en longitudes de onda de 415, 495, 547 y 650 nm en el espectro de transmisión simulado. Debido a la absorción intrínseca del borde de la banda de ZnO, no apareció resonancia en la región UV donde la longitud de onda es más corta que 380 nm. Sin lugar a dudas, estos valles en el espectro de transmisión se originan a partir de la serie de resonancias WGM admitidas en los MCA de ZnO y pueden identificarse bien por sus correspondientes patrones de distribución de campo cercano debajo de cada pico de resonancia, como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S4. El patrón de resonancia típico para el segundo orden de resonancia WGM cerca de 650 nm se mostró selectivamente en el recuadro de la Fig. 2a. Una distribución de campo intensificada se resolvió claramente alrededor de la cavidad, lo que se conoce como el modo con fugas [31] y, posteriormente, sería favorable a la luz que irradia hacia la capa activa subyacente de los dispositivos. El espectro de transmisión experimental concuerda bien con el simulado en las longitudes de onda de resonancia correspondientes, excepto por un pequeño cambio de picos de longitud de onda a 416, 492, 545 y 637 nm, como se muestra en la Fig. 2b. Estas resonancias WGM en los MCA produjeron una dispersión de ángulo amplio [32] de la luz incidente, exhibiéndose como un valle en los espectros de transmisión cerca de la longitud de onda de resonancia.

un Teórico y b espectros de transmisión experimental de los MCA en el sustrato de zafiro. c , d Espectros de reflexión teóricos y experimentales de los MCA en sustratos de silicio en comparación con los del silicio desnudo. e El perfil de absorción en el sustrato de silicio con y sin decoración MCA bajo las excitaciones de luz en resonancia (660 nm) y fuera de resonancia (840 nm)

Este efecto de dispersión en el sustrato de Si decorado con MCA de ZnO también puede ser bien evidenciado por el espectro de reflexión simulado como se muestra en la Fig. 2c, donde se pueden encontrar series de picos que coinciden bien con los valles de resonancia mostrados en los espectros de transmisión [33]. Además, se encontró que se logró con éxito un efecto anti-reflejo de banda ancha en el sustrato de silicio decorado con MCA en comparación con el silicio desnudo. El espectro de reflexión experimental en el sustrato de silicio decorado con ZnO MCA (Fig.2d) también muestra el efecto antirreflejo y los picos de resonancia similares a los resultados teóricos, excepto por una calidad de resonancia mucho menor (Q) que podría ser causada por la ausencia de reflejos. estructura esférica ideal y los defectos existentes dentro de los MCA preparados experimentalmente. Sin embargo, esta disminución de la calidad de la resonancia podría conducir aún más a la antirreflejo en la región de longitud de onda corta (<550 nm), lo que sería muy beneficioso para la captura de luz de banda ancha en los dispositivos correspondientes, como se evidenció en el trabajo anterior [16, 34]. ].

En comparación con la reflexión de la superficie de silicio desnudo, los espectros de reflexión teóricos y experimentales del silicio decorado con MCA demostraron bien que la serie soportada de resonancias WGM se puede usar para atrapar la luz utilizando los modos con fugas. Sin embargo, curiosamente, fue digno de mención que la reflexión mayormente disminuida ocurrió en la región fuera de resonancia en lugar de los picos en resonancia. La simulación adicional indicó bien que la fuerte mejora de la absorción se puede realizar con éxito en el sustrato de silicio revestido con MCA bajo la banda de resonancia (840 nm) en comparación con la del silicio desnudo, mientras que se obtuvo un perfil de absorción mucho menor bajo la resonancia. iluminación (660 nm), como se muestra en la Fig. 2e (la configuración detallada de la simulación se muestra en el archivo adicional 1:Figura S5). Este resultado infiere que la resonancia WGM, especialmente la resonancia con factor de alta calidad en algunas posiciones especiales de longitud de onda, también podría dispersar la luz hacia atrás [35], lo cual es desfavorable para la mejora de captura de luz. La distribución extraída casi archivada que se muestra en el archivo adicional 1:Figura S6 también evidenció que una gran cantidad de potencia óptica se dispersó debido a la resonancia, lo que llevó a una disminución del perfil de absorción en la capa activa en comparación con el silicio desnudo debajo de la iluminación de longitud de onda de resonancia.

A continuación, se evaluó la funcionalidad de la capa de MCA que atrapa la luz en los PIN PD de silicio mediante la caracterización de la foto-respuesta de los dispositivos. Como se muestra en la respuesta I – V típica de la Fig. 3a, se verificó una característica de fotodiodo satisfactoria en los dispositivos de PD de PIN de silicio tal como se fabricaron en condiciones de oscuridad e iluminación de luz. Significativamente, con la decoración de MCA, se puede realizar una foto-respuesta mejorada de hasta ~ 25% en los PD en comparación con los únicos PD de PIN de silicio bajo iluminación de luz de 850 nm (como se ve en la Fig. 3b). La fotosensibilidad dependiente de la longitud de onda, como se muestra en la Fig. 3c, presenta una fotorrespuesta dramáticamente mejorada dentro de un espectro de banda ancha en casi toda la región visible e infrarroja cercana (IR) después de decorar los MCA en los dispositivos. La relación de mejora se calculó y se muestra en la Fig. 3d. Se puede ver que solo dentro de la región de longitud de onda de 625 a 695 nm con el valle central ubicado a ~ 660 nm no hay mejora, lo que coincidió bien con el segundo orden ( n =2) Resonancia WGM (longitud de onda máxima a ~ 640 nm) como se ve en los espectros de transmisión (región de resonancia) de la Fig. 2b. Mientras que dentro de la región del infrarrojo cercano (IR) más utilizada (~ 800 a ~ 980 nm) para PD de silicio, obviamente se logró una capacidad de respuesta mejorada de hasta ~ 17%. Casualmente, esta región de longitud de onda también se encuentra en la región fuera de resonancia como se mencionó anteriormente. Los resultados fueron bien consistentes con los resultados de la simulación donde la mejora de la absorción no pudo mejorarse bajo la iluminación de resonancia mientras que obviamente puede ocurrir una absorción mejorada en la región de resonancia inactiva, como se muestra en la Fig. 2e. Sin embargo, para la región de longitud de onda corta (<600 nm), todavía se puede obtener la mejora significativa en la absorción, así como la foto-respuesta, que coincidió bien con las notables propiedades antirreflectantes de los MCA en silicio que se presentan en la Fig. .2d. Como se mencionó anteriormente, la calidad de resonancia muy baja real en las cavidades dentro de esta región debería ser la razón principal de la captura de luz de banda ancha, que es independiente de la resonancia activada o desactivada.

un Curvas de corriente-voltaje (IV) para los PD de PIN de silicio fabricados bajo iluminación oscura y clara (LED de 850 nm, 1,2 mW cm ⁻² ). b Comparación de la respuesta actual bajo iluminación de luz LED de 850 nm y c la respuesta fotográfica dependiente de la longitud de onda en los dispositivos con y sin decoración de MCA (de control). En el recuadro se muestra el agrandamiento parcial en la región de longitud de onda más corta (<380 nm). d El porcentaje de mejora correspondiente calculado a partir de c , en el que la resonancia activa ( R _en ) y fuera de resonancia ( R _desactivado ) región referida a los espectros de reflexión marcados como rojo claro y verde claro en el fondo, respectivamente

Los resultados anteriores demostraron bien que las propiedades de captura de luz a través de la microcavidad WGM están muy relacionadas con la calidad de la resonancia, que depende de los parámetros de las cavidades. Para verificar aún más el mecanismo de mejora mencionado anteriormente y manipular la mejora de la capacidad de respuesta en dispositivos en una región de longitud de onda específica, como la detección de la región del infrarrojo cercano (IR) ampliamente utilizada para la comunicación o la detección, las resonancias de WGM en los MCA se regularon controlando el tamaño de las cavidades. Para la cavidad de la estructura de la cáscara adoptada en este trabajo, la longitud óptica efectiva puede aumentarse fácilmente engrosando la capa de la cáscara [36]. Como se muestra en la Fig. 4a, al aumentar el grosor de la capa a 60 nm, se observaron muchos más modos de resonancia en el espectro de transmisión de los MCA. Estos modos de resonancia también se pueden asignar a las resonancias WGM correspondientes mediante la simulación teórica, como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S7. En comparación con los MCA en un grosor de capa de 40 nm (Fig. 2b), el mismo modo de resonancia exhibe un corrimiento al rojo comprensible debido al aumento de la longitud efectiva de la cavidad. Los espectros de reflexión experimentales en la Fig. 4b también coincidieron bien con el espectro de transmisión. A diferencia de los espectros de reflexión experimentales para los MCA con un grosor de capa de 40 nm que se muestran en la Fig.2d, la resonancia real es más distinguible, lo que indica una mayor calidad de resonancia, lo que significa que el efecto de retrodispersión podría ser más fuerte y no a favor de la luz. captura. Las curvas de capacidad de respuesta dependientes de la longitud de onda se muestran en la Fig. 4d y demuestran bien esta inferencia, donde la capacidad de respuesta en regiones de longitud de onda específicas se ha mejorado mientras que algunas otras regiones disminuyeron. De la Fig. 4d, se puede observar que la región mayormente mejorada ocurrió consistentemente en el área fuera de resonancia mientras que la región decreciente ubicada en el área de resonancia encendida. Además, en comparación con los PD decorados con MCA con un grosor de capa de 40 nm (que se muestra en la figura 3d), se logró una mejora de la capacidad de respuesta mucho mayor dentro de la región de 800-980 nm, que se utiliza principalmente en la comunicación y detección de PD de silicio. Se puede lograr una mejora de hasta ~ 25% a la longitud de onda de 820 nm, como se muestra en la Fig. 4d. Esta mejora mucho más fuerte debería haberse originado a partir de la calidad de resonancia más alta para el WGM de segundo orden de los MCA, lo que lleva a un efecto de captura de luz más alto a través del modo con fugas de la resonancia WGM en esta región de longitud de onda. La intensidad de reflectancia mucho más baja en esta región de longitud de onda explicó bien esta mejora significativa en la captura de luz, así como la capacidad de respuesta, como se muestra en la Fig. 4b cuando se compara con el espectro de reflexión en la Fig. 2d para los MCA con un espesor de capa de 40 nm. . Además, esta mejora también ocurrió principalmente en la región fuera de resonancia.

un Espectro de transmisión experimental de los MCA en sustrato de zafiro con un espesor de capa de 60 nm. b Los correspondientes espectros de reflexión de los MCA sobre un sustrato de silicio, en comparación con el sustrato de silicio desnudo. c Las fotosensibilidades en el dispositivo con o sin (control) decoración de MCA bajo iluminación de luz LED de 850 nm. d El porcentaje de mejora correspondiente calculado a partir de c . El fondo dentro de la región de resonancia activa y desactivada en b y d refiriéndose a los espectros de reflexión en b se destacó en rojo claro y verde claro, respectivamente

Mientras que para la región en resonancia de ~ 640 a 710 nm como se muestra en la Fig.4d (el fondo se marcó como rojo claro), obviamente se obtuvo una menor capacidad de respuesta razonablemente debido al efecto de retrodispersión inducido por la alta calidad de resonancia para este modo de resonancia, como se discutió anteriormente. Similar a los MCA con un grosor de capa de 40 nm, aún se puede realizar una fuerte mejora en la región de longitud de onda corta (<500 nm) probablemente debido a la calidad de resonancia mucho más baja y al efecto antirreflejo más alto. El rendimiento de estabilidad para estas mejoras por parte de la ingeniería de captura de luz también se evaluó más a fondo al examinar la foto-respuesta para el mismo dispositivo almacenado en el aire ambiente durante 1 año, que casi no muestra deterioro en la respuesta actual en comparación con el control bajo las mismas condiciones de prueba, como se ve en el archivo adicional 1:Figura S8.

Conclusiones

En conclusión, se propuso una nueva estrategia para mejorar la absorción de luz dentro de la banda ancha y la región de longitud de onda específica para fotodetectores (PD) mediante la utilización de múltiples resonancias WGM generadas en matrices de microcavidades (MCA) de ZnO. Con la decoración de las matrices de microcavidades dieléctricas (MCA) preparadas fácilmente en los PIN PD basados ​​en silicio, se logró una captura de luz de banda ancha y una mejora de la fotosensibilidad que cubría casi toda la región del infrarrojo cercano ultravioleta visible (300-1000 nm) . Los resultados teóricos y experimentales indicaron que la radiación en modo de fuga de las resonancias WGM, que funcionan de manera más eficaz en la región fuera de resonancia, es el principal mecanismo de mejora para la captura de luz. Con la manipulación adicional de los picos de resonancia WGM y la calidad de resonancia al aumentar el grosor de la capa de las cavidades, se logró una captura de luz específica y una mejora de la capacidad de respuesta en la región de comunicación y detección más utilizada (800-980 nm) con la mejora máxima de hasta ~ 25% a 820 nm. Este trabajo demostró bien un método de bajo costo y buena compatibilidad para mejorar la captura de luz y, por lo tanto, la capacidad de respuesta con espectros de banda ancha o selectivos para la fotodetección mediante la introducción del modo de fuga de las matrices de cavidades dieléctricas resonantes WGM. El enfoque de manipulación de la luz empleado en este trabajo proporciona una guía importante para diseñar arquitecturas de micro y nanomateriales para facilitar las aplicaciones novedosas dentro de un rango de longitud de onda específico en dispositivos optoelectrónicos.

Métodos / Experimental

Proceso de fabricación de dispositivos PIN PD

Los PIN PD se fabricaron sobre un sustrato de silicio de tipo p (100) de 200 μm de espesor adquirido en WaferHome [37] con una resistividad de 0,001 Ω cm. Se hizo crecer epitaxialmente una capa intrínseca de 20 µm de espesor sobre el sustrato. Luego, implantación de iones de fósforo tipo n con una dosis de implantación de 1 × 10 ¹⁶ cm ⁻² y se realizó una energía de 160 keV en la capa intrínseca para formar la estructura final del dispositivo PIN. Antes de la decoración de las estructuras de MCA, la oblea PIN se limpió de manera estándar para eliminar las materias orgánicas residuales de la superficie y los iones metálicos. Finalmente, los procesos de fabricación de chips se llevaron a cabo con la región fotosensible diseñada de 2.8 mm × 2.8 mm. Un electrodo de aluminio de 100 nm de espesor con un diámetro de 160 μm en la superficie de tipo n y una película de Au de 50 nm de espesor con una capa de unión de Ti de 5 nm en la parte posterior se depositaron por pulverización catódica (Explorer-14, Denton Vacuum ) para formar un contacto óhmico metálico.

Proceso de fabricación de la capa ZnO MCA

Los MCA de ZnO se produjeron utilizando nanoesferas de poliestireno (PS) como plantilla, seguido de la deposición catódica de la película de ZnO, y las nanoesferas de PS se eliminaron finalmente mediante recocido térmico [29]. Se utilizaron nanoesferas de PS comerciales adquiridas de Nanomicro (Suzhou Nanomicro Technology Co., Ltd.) con un diámetro de 530 nm como material de plantilla para fabricar matrices de microcavidades de ZnO. La capa de películas delgadas de ZnO en diferentes espesores (~ 40 y ~ 60 nm) se controló ajustando las diferentes duraciones de deposición.

Caracterizaciones

La morfología y la estructura se caracterizaron mediante el microscopio electrónico de barrido de emisión de campo Hitachi S-4800 (FE-SEM). Los datos experimentales de los espectros de transmisión y reflexión se recopilaron mediante el espectrofotómetro Varian Cary 5000 UV-Vis-NIR. Las características de fotocorriente y IV de los dispositivos se midieron en una estación de trabajo electroquímica (CHI660D) equipada con una estación de sonda de temperatura ambiente y fuentes de luz LED. La eficiencia cuántica externa (EQE) de los dispositivos con sesgo 0 se midió utilizando un medidor de potencia óptica (Newport, 2936-R), que estaba equipado con una fuente de luz (Newport, 66,920) y un monocromador (Cornerstone 260, Newport). Los espectros de transmisión / reflexión simulados y la distribución de campo cercano se extrajeron mediante un paquete de simulación FDTD (FDTD Solutions, Lumerical Inc.).

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado y sus archivos de información complementaria.

Abreviaturas

3D:

Tridimensional

EQE:

Eficiencia cuántica externa

IR:

Infrarrojos

IV:

Corriente-voltaje

MCA:

Matrices de microcavidades

PD:

Fotodetectores

PIN:

Positivo-intrínseco-negativo

PD:

Poliestireno

R _desactivado :

Fuera de resonancia

R _en :

En resonancia

T _caparazón :

Espesor de la cáscara

WGM:

Modo de galería de susurros

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