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Absorción de Fotones Mejorada en Fotodetectores Infrarrojos de Puntos Cuánticos mediante Plasmones de Superficie en Arrays de Nanohoyos Metálicos

Resumen

Con la creciente demanda de dispositivos fotodetectores a pequeña escala, los fotodetectores infrarrojos basados en puntos cuánticos han atraído cada vez más atención en las últimas décadas. En este trabajo, se introducen estructuras periódicas de arrays de nanohoyos metálicos en fotodetectores infrarrojos de puntos cuánticos para mejorar el rendimiento de absorción de fotones mediante el efecto de mejora de plasmones de superficie, superando el cuello de botella de baja eficiencia de absorción óptica en fotodetectores convencionales. Los resultados demuestran que las estructuras optimizadas de arrays de nanohoyos metálicos pueden aumentar enormemente la absorción de fotones hasta 86,47% en fotodetectores específicos, lo que es 1,89 veces superior al de fotodetectores convencionales sin estructuras de arrays metálicos. La gran mejora de la absorción se atribuye al efecto de acoplamiento local de plasmones de superficie causado por las estructuras de arrays de nanohoyos metálicos. Se cree que este estudio proporciona orientación teórica para fotodetectores infrarrojos de alto rendimiento basados en puntos cuánticos a nanoescala.

Antecedentes

Los fotodetectores infrarrojos de semiconductores detectan luz infrarroja y tienen gran potencial en investigación científica, imagen digital, comunicaciones ópticas y áreas militares. Los fotodetectores infrarrojos de puntos cuánticos (QDIPs) han atraído creciente atención recientes por sus excelentes propiedades de respuesta lumínica y tendencia a la miniaturización. Aunque décadas de esfuerzos han logrado gran progreso en tecnologías para QDIPs de alto rendimiento, se necesitan mejoras adicionales para retos de miniaturización y demandas prácticas. Se señala que el acoplamiento de rejillas metálicas en la región activa basada en puntos cuánticos es un enfoque efectivo para mejorar el rendimiento de QDIPs, logrando alto coeficiente de fotoabsorción por efecto de fotocoplamiento local mejorado por plasmones.

Según reportes, hay dos tipos principales de estructuras de rejillas metálicas para mejorar QDIPs: arrays de hoyos metálicos y arrays metálicos sin hoyos. En aplicación de arrays de hoyos, el grupo de Chang combinó array periódico de hoyos metálicos con capa de puntos cuánticos en QDIP en 2007, logrando transmisión lumínica supernormal. En 2009, Lee et al. propusieron método para QDIP de alta detectividad integrando cristales fotónicos metálicos con array de hoyos de período 3,6 μm (espesor 100 nm). Resultados demostraron respuesta pico a 11,3 μm y hasta 30 veces mayor detectividad sin cristal fotónico metálico. Luego discutieron dependencia del rendimiento QDIP de luz incidente y aplicación en array de plano focal. Mejoras similares reportadas usando rejillas de acoplamiento arrays metálicos con hoyos. Arrays metálicos sin hoyos también propuestos. En 2011, Huang et al. usaron capa de nanopartículas de plata autoorganizadas para mejorar respuesta espectral amplia QDIP, obteniendo mejora 2,4–3,3 veces. En 2014, grupo Chen reportó mejora mediante efecto campo cercano de nanopartículas Au. En 2015, grupos Ding y Wang propusieron estructuras acopladas guía onda y cavidad resonante simple de reflector Praga distribuido. Otras estructuras metálicas como arrays de tiras antena y nano-discos también discutidas.

Sin embargo, estos métodos sin arrays de hoyos también exhiben efecto mejorado en foto-respuesta QDIPs, pero su fabricación con métodos costo-efectivos y simples sigue siendo un reto comparado con arrays de hoyos típicos. En arrays de hoyos típicos, el tamaño es común a microescala. La mejora foto-respuesta es por efecto plasmon en interfaz entre aire en hoyos microscópicos y semiconductor inferior. El tamaño del array de hoyos puede reducirse a nanoescala esperada匹配 tamaño puntos cuánticos en QDIP nanoescala, si QDIPs alto rendimiento con efecto mejorado correspondiente pueden realizarse. Simultáneamente, trabajos teóricos adicionales son necesarios para elucidar mecanismos subyacentes. En este estudio, para clarificar el fenómeno, se diseñaron QDIPs con estructuras de arrays de nanohoyos a nanoescala, y más importante, comparado con QDIPs microscópicos convencionales, el efecto mejorado se explica analizando condición transmisión óptica y distribución campo eléctrico. Resultados demuestran que QDIPs con arrays nanométricos metálicos pueden tener absorción fotónica hasta 86,47% por interacción fotón-punto cuántico y acoplamiento lumínico eficiente, abriendo puerta al diseño y optimización de fotodetectores infrarrojos nanométricos.

Modelo de Diseño del QDIP con Array de Nanohoyos

En general, el QDIP consiste en región de puntos cuánticos y electrodos; la región cuántica comprende capas compuestas periódicas de puntos cuánticos y capas barrera. En condiciones ideales (ignorando influencias electrodos y sustrato), la transmisión óptica del QDIP completo se supone igual a la de la región cuántica. Así, electrodos y sustrato no son necesarios en el diseño. La Figura 1a muestra diseño QDIP típico: 5 capas compuestas periódicas de puntos cuánticos, constituidas por capa barrera AlGaAs y capas GaAs incluyendo puntos cuánticos periódicos (Fig. 1b). En configuración actual, nanopartículas puntos cuánticos se suponen forma cúbica, acorde con definición puntos cuánticos formados por muchos átomos y moléculas: 40 nm largo, 40 nm ancho, 7–9 nm alto. Modelo similar puntos cuánticos en literatura reportada. Área QDIP 1000 nm × 1000 nm, espesor capas barrera AlGaAs 60 nm. Array nanohoyos metálico elegido como Au colocado sobre nanoestructuras capas puntos cuánticos convencionales QDIP, nombrado QDIP mejorado (Fig. 2). Radio hoyos ajustable 50–70 nm. El material puntos cuánticos no puede considerarse simplemente material bulk con índice refracción determinado. Figura 3 revela característica dispersión eléctrica material GaAs para formar puntos cuánticos usando método Edward D. Palik. Curva azul y roja representan constante dieléctrica GaAs ε′ y ε″. Figuras 4a y 4b muestran característica dispersión eléctrica GaAs, Al0,3Ga0,7As y oro, respectivamente.

Método Cálculo Basado en Celda YEE

Basado en modelo físico diseñado, se usa método integración elementos finitos para calcular condición transmisión óptica. Primero, basándose en celdas YEE, ecuaciones integrales Maxwell que satisfacen modelo se escriben:

∮L E·dl = -∂/∂t ∫S B·dS (1)

∮L H·dl = J + ∂/∂t ∫S D·dS (2)

∮S D·dS = q (3)

∮S B·dS = 0 (4)

En nuestro cálculo, ecuaciones 1–4 se discretizan. Tanto distribución nodos campo eléctrico como magnético se eligen como formato "celda Yee". Usando Eq. 1 como ejemplo, modelo electromagnético fotodetectores se toma como acumulación "celdas Yee". Figura 5: cuatro lados celda arbitraria corresponden Eq. 1, representando vectores campo eléctrico ei, ej, ek, el. Vector dirección normal es vector campo magnético bn, así Eq. 1 reescribe como Eq. 5:

ei + ej - ek - el = -dbn/dt (5)

Adoptando método similar, ecuación modelo electromagnético fotodetectores completo:

[... 1 1 -1 -1 ...] [ei ej ek el]T = -d/dt [... bn ...]T (6)

Ecuación 2 reescribe: Ce = -ḃ (7)

Similarmente, Eqs. 2–4 discretizan:

C̃h = ḋ + j (8)

sb = 0 (9)

S̃d = q (10)

Combinando Eqs. 7–10 discretizadas con condiciones contorno, campo eléctrico y magnético se resuelven por método iterativo. En este estudio, estructura array hoyos metálicos colocada sobre QDIP convencional, facilitando acoplamiento lumínico por dispersión Bragg. Comunicación óptica correspondiente calculada, discutida en siguiente sección cuando se dan condiciones transmisión, reflexión y absorción. Basado en relación absorción-eficiencia cuántica, responsividad QDIP dada. Responsividad QDIP, parámetro rendimiento importante, calculada como relación fotocorriente/potencia luz incidente: R = Iphoto/Po = gηe/(hv) (11), donde Iphoto fotocorriente QDIP, Po potencia luz incidente, g ganancia fotoconductiva, e carga electrón, h constante Planck, v frecuencia luz incidente, η eficiencia cuántica.

Eficiencia cuántica: relación número pares electrón-hueco / número fotones incidente, depende fuertemente absorción fotodetectores. En práctica, luz incidente ilumina directamente región absorción, no absorbida completamente por reflexión capa contacto superior o capa metálica. Eficiencia cuántica QDIP: η = (1-r)[exp(-α0d)][1-exp(-α0W)] (12), donde α0W coeficiente absorción QDIP, α0d coeficiente absorción capa contacto incidente, r reflexión capa incidente.

Ganancia fotoconductiva QDIP: relación tiempo recombinación electrones estado extendido zurück punto cuántico τlife / tiempo tránsito electrones través dispositivo τtotal: g = τlife/τtotal (13). Bajo condición tiempo tránsito un período capa compuesta puntos cuánticos considerablemente menor que tiempo recombinación estado extendido zurück punto cuántico, ganancia: g = (K+1)LμE[1+(μE/vs)²]-1/2 / (KπaQD²hQD²∑QDVt) (14), donde K número capas compuestas puntos cuánticos, L distancia entre capas puntos cuánticos, μ movilidad electrones, E densidad campo eléctrico QDIP, vs velocidad saturación electrones, hQD altura puntos cuánticos, ∑QD densidad puntos cuánticos por capa, aQD tamaño lateral puntos cuánticos, Vt tasa captura electrones.

Sustituyendo Eq. (12) y Eqs. (14) en Eq. (11), responsividad QDIP:

R = λ(K+1)LμE[1+(μE/vs)²]-1/2(1-r)exp(-α0d)[1-exp(-α0W)] / (1,24KπaQD²hQD²∑QDVt) (15)

Resultados y Discusión

Basado en diseño QDIP anterior, si luz infrarroja incidente golpea cima QDIPs en dirección eje z, fotodetectores tendrán reflexión y transmisión luz incidente. Absorción fotodetectores determinada estudiando condiciones transmisión óptica luz incidente, papel importante evaluando rendimiento. Figura 6 presenta coeficientes reflexión fotodetectores sin array metálico (QDIP convencional) y con array metálico (QDIP mejorado). Comparando curvas Fig. 6, coeficientes reflexión QDIP convencional ligeramente menores que QDIP mejorado, excepto valores individuales en rangos 250–260 THz y 279–293 THz. Ejemplo: frecuencia 219 THz, coeficiente reflexión QDIP convencional -3,91 dB, QDIP mejorado -1,31 dB. QDIP mejorado tiene valor ligeramente mayor, pero absorción mínima QDIP mejorado bastante menor que convencional: -16,17 dB a 255,10 THz vs -13,42 dB a 254,86 THz. Bajo coeficiente reflexión QDIP mejorado atribuible a mayor coeficiente absorción metal vs semiconductor para luz infrarroja. Absorción calculada por contribuciones reflexión y transmisión. Figura 7a: coeficientes transmisión QDIP convencional (azul) claramente mayores que QDIP mejorado en rango total 200–340 THz. Ejemplo: 298 THz, transmisión QDIP mejorado -10,83 dB, 1,60 veces menor que convencional -4,15 dB. Por relación competitiva transmisión, reflexión y absorción, disminución transmisión aumenta absorción ignorando otras pérdidas.

Combinando transmisión Fig. 7a con reflexión Fig. 6, absorción QDIP calculada, Fig. 7b. Curva roja (60 nm mejorado) absorción QDIP mejorado con estructura metálica; curva azul (60 nm convencional) QDIP convencional sin estructura hoyos metálicos. Comparación: absorción QDIP mejorado mayor que convencional. Máximo absorción QDIP mejorado 0,782 a 286 THz, 1,71 veces mayor que convencional 0,458 a 257 THz. Razones aumento absorción QDIP mejorado: arrays nanohoyos metálicos introducidos sobre QDIP convencional, favoreciendo efecto resonancia plasmon superficie, llevando a efecto acoplamiento local luz incidente. Efecto acoplamiento local hace más luz incidente entrar capas puntos cuánticos semiconductor inferior, resultando alta absorción luz incidente y mejores propiedades fotoeléctricas con mayor fotocorriente y eficiencia cuántica.

Para clarificar cómo realizar efecto mejora plasmon en QDIPs mejorados, estudiamos influencias diferentes estructuras nanohoyos metálicos en absorción QDIPs mejorados. Figura 8a: curvas absorción QDIPs mejorados con diferentes radios nanohoyos: negro (50 nm), verde (55 nm), rojo (60 nm), azul (65 nm). Valores absorción revelan tendencias cambiantes bajo diferentes nanohoyos. Valores pico absorción QDIP mejorado: 0,744 (negro 289 THz), 0,721 (verde 291 THz), 0,782 (rojo 286 THz), 0,707 (azul 288 THz). Entre estos, QDIP mejorado radio hoyo 60 nm mejor rendimiento absorción. Espesor capa hoyos metálicos también influye absorción. Figura 8b: espesor capa metálica QDIP mejorado 10–40 nm, valores pico absorción: 0,667 (263 THz, 10 nm), 0,782 (286 THz, 20 nm), 0,662 (293 THz, 30 nm), 0,590 (262 THz, 40 nm). Capa nanohoyos metálicos espesor 20 nm mayor absorción.

Para clarificar fenómeno, estudiamos distribución campo eléctrico superficie superior QDIP mejorado con diferentes radios hoyos metálicos a 286 THz. Figura 9 revela distribución campo eléctrico diferentes radios 50–65 nm. Comparando Fig. 9a: QDIPs radio hoyo 50 nm (Fig. 9a) y 55 nm (Fig. 9b) tienen mejora campo eléctrico relativamente débil por distribuciones campo en área total incluyendo hoyos y regiones adyacentes, efecto acoplamiento local ignorable. En Fig. 9c y 9d se observa área acoplamiento local campo eléctrico alto. Distribuciones campo fuerte alrededor hoyos Fig. 9c y 9d forma anillo, ubicadas en interfaz hoyos metálicos-aire por efecto acoplamiento plasmon superficie. Comparando Fig. 9c y 9d, efecto acoplamiento campo eléctrico Fig. 9c más fuerte que Fig. 9d según colores mezcla rojo, verde, azul (rojo campo más fuerte, azul más débil). Radio nanohoyos 60 nm genera efecto mejora campo eléctrico por plasmon superficie. Para clarificar más, distribución campo eléctrico plano xz correspondiente absorción máxima QDIP optimizado 286 THz, Fig. 10a, sección y = 0 (campo plano xz). Dirección z: distribución campo mejorado en región entre hoyos metálicos adyacentes (rojo), campo débil en región hoyos metálicos (azul). Distribución campo eléctrico revela directamente absorción mejorada QDIP. Efecto acoplamiento mejora aumenta absorción, y eficiencia cuántica alta QDIP mejorado. Mismas conclusiones analizando distribución campo magnético por propiedades electromagnéticas luz.

Además, modo onda plasmon superficie excitado determinado. Figuras 10a y 10b muestran resultados campo eléctrico y magnético. Fig. 10b: distribución polarización campo eléctrico plano yz. Campo eléctrico normal a plano yz, sin componente Ez. Fig. 10c: distribución polarización campo magnético. Campo magnético paralelo a plano yz, componente Hz en dirección propagación luz incidente (z). Por tanto, onda plasmon superficie excitada modo TE. Para clarificar posición excitación plasmon superficie, distribución campo magnético cerca interfaz hoyo metálico mostrada cima Fig. 10c. Campo magnético posición entre hoyos adyacentes más fuerte que en hoyos. Según campo eléctrico Fig. 10a, también prueba campo mejorado concentrado entre hoyos adyacentes. Conclusión: efecto plasmon superficie desde superficie metal-semiconductor, posición entre hoyos adyacentes. Cabe notar mejora absorción no solo plasmon superficie sino también reflexión mejorada capa metálica, llevando absorción secundaria luz incidente iluminada QDIP eje z.

Parámetros capas metálicas influyen rendimiento QDIP. Para determinar parámetros óptimos, espesor capa barrera y capa puntos cuánticos analizados bajo condiciones capa metálica optimizada (20 nm) y radio hoyo (60 nm). Figura 11a: tendencia absorción fotodetectores diferentes espesores capa barrera 70–85 nm. Curvas absorción tendencia similar. Espesores capa barrera 70–85 nm, valores máximos absorción QDIPs mejorados: 0,7581 (70 nm, 322,78 THz), 0,7763 (75 nm, 304,84 THz), 0,8552 (80 nm, 292,75 THz), 0,8346 (85 nm, 284,17 THz). Capa barrera 80 nm mejor rendimiento absorción QDIPs mejorados. Fijando otros parámetros optimizados, influencias espesores capa puntos cuánticos en absorción QDIP mejorado estudiadas, Fig. 11b. Curva roja máximo absorción 0,8647 a 295,48 THz QDIP mejorado espesor capa 7 nm, ilustrando estado transición óptimo.

Discusión anterior: no solo parámetros QDIP influyen rendimiento, también espesores capa puntos cuánticos y capa barrera determinan rendimiento. Según cálculo teórico, parámetros optimizados QDIPs mejorados: espesor capa metálica 20 nm, radio hoyo metálico 60 nm, espesor capa puntos cuánticos 7 nm, espesor capa barrera 80 nm. Absorción fotodetectores óptimo 0,8647. Comparando QDIP convencional vs optimizado Fig. 12, valores absorción curva roja bastante mayores que azul excepto rango 222,91–262,18 THz. Máximo absorción curva roja 0,8647 a 295,48 THz, 1,89 veces mayor que curva azul (igual previa "60 nm convencional" Fig. 7b, QDIP sin array hoyos metálicos) 0,458 a 257 THz. Desplazamiento frecuencia pico máximo absorción resulta principalmente cambio espesor fotodetectores mejorado. Basado en parámetros optimizados QDIPs, espesores capa puntos cuánticos y barrera, eficiencia cuántica y responsividad fotodetectores calculadas.

Eficiencia Cuántica y Responsividad del QDIP

Basado en resultados absorción Fig. 12 y expresiones eficiencia cuántica y responsividad QDIP, calculados y graficados Fig. 13a y b. Fig. 13a: eficiencia cuántica QDIP. Curva azul punteada: QDIP sin array metálico; curva roja continua: QDIP optimizado con array metálico. Comparación: máxima eficiencia cuántica QDIP optimizado 0,2961 a 295,87 THz, 1,205 veces QDIP convencional 0,2458 a 256,48 THz. Tendencia creciente similar absorción Fig. 12 por introducción array hoyos metálicos y optimización QDIP. Basado tendencias creciente absorción, responsividad QDIP revela tendencias crecientes similares. Fig. 13b: responsividad QDIP optimizado y convencional. Curva roja: responsividad QDIP convencional; curva azul: QDIP optimizado capa hoyos metálicos. Similar análisis Fig. 13a, responsividad 0,0326 mA/W a 295,87 THz, 0,0174 mayor que QDIP convencional 0,0152 a 256,48 THz. Aumento responsividad probado en otra banda frecuencia 229,57–254,41 THz, demostrando mejora rendimiento fotodetectores por introducción array hoyos metálicos y optimización regiones puntos cuánticos. Razones mejora discutidas detalladamente analizando distribución campo eléctrico regiones puntos cuánticos.

Influencia Electrodo y Sustrato

Lo estudiado ignoraba influencia electrodos y sustrato; en realidad, electrodos y sustrato tienen ciertas influencias en rendimiento, pero no influyen descripción efectos mejora QDIP optimizado con capa metálica. Esto porque electrodos y sustrato tienen casi misma influencia absorción QDIP con y sin capa metálica. Para ilustrar adecuadamente, recalculamos absorción QDIP considerando influencia sustrato y electrodos, así como eficiencia cuántica, responsividad, etc. Concretamente, electrodos generalmente diseñados extremos región absorción puntos cuánticos: uno cima QDIP convencional, otro extremo inferior región absorción QDIP (Fig. 14a), cima sustrato, proporcionando región absorción puntos cuánticos voltaje polarización y transmitir corriente con electrodo superior. Cabe mencionar: en QDIP optimizado nuestro estudio, array hoyos metálicos usado como electrodos en lugar anillo metálico. Otro electrodo similar QDIP convencional. Distribución concreta electrodos calculada Fig. 14a. Similar Fig. 14a, Fig. 14b: material electrodos oro, sustrato AlGaAs; espesores 20 nm y 300 nm.

Basado en introducción electrodos y sustrato estructura QDIP, calculamos absorción QDIPs, comparados con QDIP sin electrodos y sustrato. Figura 15: influencia electrodos y sustrato absorción QDIP. Curva azul y rosa: absorción QDIP convencional y optimizado sin electrodos y sustrato. Curva roja discontinua: absorción QDIP optimizado con electrodos y sustrato. Máximo absorción 0,7620 a 304,35 THz, solo 0,1027 menor que QDIP optimizado sin electrodos y sustrato. Disminución absorción degradada por pérdida electrodos y sustrato, igual curva verde absorción QDIP convencional con electrodos y sustrato. Comparando absorción QDIP convencional y optimizado con electrodos y sustrato, mejora muy clara absorción QDIP optimizado con electrodos y sustrato, igual QDIP optimizado Fig. 12. Aunque electrodos y sustrato disminuyen absorción, absorción total QDIP optimizado puede mejorarse comparado QDIP básico, disminución despreciable por pequeña influencia en descripción mejora QDIP optimizado usando array hoyos metálicos.

Además, tendencia absorción QDIP con electrodos y sustrato no igual curvas previas (azul y rosa). Más complejas con muchos valores pico. Razones: adición electrodos y sustrato produce pérdida y desplazamientos frecuencia por efecto calentamiento acumulado y otros factores negativos. Segundo, material electrodos metal, en QDIP optimizado con electrodos y sustrato, resulta reflexión mejorada y plasmon superficie mejorado. Ambas razones favorecen comúnmente mejora absorción Fig. 15.

Conclusiones

En conclusión, rendimiento QDIP convencional mejorado grandemente añadiendo array nanohoyos metálicos nanoescala, y mecanismo mejora rendimiento QDIPs mejorados discutido analizando reflexión, transmisión, absorción y distribución campo eléctrico. Resultados no solo demuestran QDIPs mejorados mayor absorción que convencionales, sino indican parámetros QDIPs mejorados relacionados array nanohoyos metálicos junto con capa compuesta puntos cuánticos influyen significativamente rendimiento. Según cálculo teórico, parámetros optimizados fotodetectores mejorados: 20 nm espesor capa metálica, 60 nm radio hoyo metálico, 7 nm espesor capa puntos cuánticos, 80 nm espesor capa barrera. Valor máximo absorción fotodetectores optimizado 86,47% a frecuencia ~300 THz. Gran mejora absorción atribuible a efecto acoplamiento local por mejora efecto campo eléctrico vía plasmon superficie, llevando alta eficiencia cuántica y responsividad: 0,2961 y 0,0326 mA/W. Se cree esta contribución proporciona orientación teórica para desarrollar QDIPs nanoescala alto rendimiento.

Disponibilidad Datos y Materiales

Todos los datos disponibles sin restricción.

Abreviaturas

QDIPs:
Fotodetectores infrarrojos de puntos cuánticos
Fig:
Figura
Eqs:
Ecuaciones

Nanomateriales

  • Metal
  • Resina
  • fibra
  • Material compuesto
  • Nanomateriales
  • Materiales poliméricos
  • Biologicos
  • Teñir
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