Engenharia de captura de luz para aprimoramentos de banda larga e fotodetecção espectrosseletiva por matrizes de microcavidades dielétricas auto-montadas

Resumo

A manipulação da luz atraiu grande atenção em fotodetectores para aplicações específicas com banda larga ou aprimoramento espectrosseletivo em foto-responsividade ou eficiência de conversão. Neste trabalho, uma regulação de luz de banda larga foi realizada em fotodetectores com a foto-responsividade espectrosseletiva aprimorada pelos arranjos dielétricos de microcavidade (MCAs) otimamente fabricados na parte superior dos dispositivos. Os resultados experimentais e teóricos revelam que o aumento da absorção de luz nas cavidades é responsável pela melhora da sensibilidade nos detectores, que se originou do confinamento da luz das ressonâncias do modo de galeria sussurrante (WGM) e do subsequente acoplamento do fóton na camada ativa através os modos de ressonâncias com vazamento. Além disso, os aprimoramentos de absorção em regiões de comprimento de onda específicas foram controlados por meio da manipulação das propriedades de ressonância por meio da variação do comprimento óptico efetivo das cavidades. Consequentemente, um aumento de responsividade de até 25% dentro da comunicação óptica comumente usada e região de detecção (800 a 980 nm) foi alcançado nos dispositivos MCA decorados com silicone positivo-intrínseco-negativo (PIN) em comparação com os de controle. Este trabalho demonstrou bem que os modos de vazamento de matrizes de cavidade dielétrica ressonante WGM podem efetivamente melhorar o aprisionamento de luz e, portanto, a responsividade em banda larga ou espectros seletivos para fotodetecção e permitirá a exploração futura de suas aplicações em outros dispositivos de conversão fotoelétricos.

Introdução

Os fotodetectores (PDs) são muito solicitados para aumentar a capacidade de resposta, o que é praticamente importante para suas aplicações comerciais, como comunicação óptica, sensoriamento e imagem em nossa vida diária. É bem conhecido que a extinção de material na região ativa dos dispositivos deve ser alta o suficiente para permitir a absorção de luz eficiente e geração de fototransportadores [1]. Portanto, a aplicação de tecnologia avançada de captura de luz tem sido considerada como a abordagem mais importante para realizar a fotodetecção eficiente em vários PDs de banda larga [2]. Além disso, as novas demandas por responsividade espectral seletiva sintonizável ou detecção de banda múltipla no campo de fotodetecção também precisam desenvolver novos métodos de manipulação de luz [3,4,5,6,7,8,9].

Várias estratégias de captura óptica foram desenvolvidas e empregadas em dispositivos ópticos, por exemplo, as interfaces de textura aleatória [10] ou nanoestruturas tridimensionais (3D) [11,12,13,14] para melhoria de sensibilidade utilizando totalmente a grande superfície para -rácio de volume e comprimento de Debye. Dentre essas nanoestruturas de captura de luz 3D, a cavidade óptica ressonante de baixo Q tem sido considerada o meio mais atraente para manipular a luz em uma faixa de banda larga por meio dos modos de ressonância múltiplos [15,16,17,18,19,20,21,22, 23]. O princípio principal é que as ressonâncias de modo de galeria de sussurro (WGM) na esfera podem aumentar as interações de matéria-luz na cavidade [16, 19, 23] ou acoplar a luz no substrato sob a camada através do modo de guia de ondas [ 17, 20]. Consequentemente, a eficiência de conversão fotoelétrica melhorada ou foto-resposta pode ser realizada nos dispositivos optoeletrônicos correspondentes [24, 25]. Este conceito de captura de luz em células solares de filme fino, utilizando nanoesferas dielétricas ressonantes em escala de comprimento de onda, foi proposto por Grandidier et al. com o objetivo de potencializar a absorção de luz na camada ativa e posterior fotocorrente no dispositivo [15]. Além disso, a absorção de luz significativamente melhorada e a eficiência de conversão de energia foram bem demonstradas por Cui et al. [16]. As nanoesferas ocas dielétricas automontadas, abrangendo várias ressonâncias WGM de baixo Q na região da luz visível, também foram demonstradas para captura de luz eficaz e melhoria da densidade de corrente de curto-circuito em células solares de filme fino em nosso trabalho anterior [17]. Teoricamente, diferente da tecnologia de filme óptico convencionalmente usada, este tipo de ressonâncias múltiplas deveria ser possível para a aplicação em PDs para a manipulação de comprimento de onda específico ou aumento de captura de luz de banda larga, mas que ainda não foi investigado.

Neste trabalho, os arranjos de microcavidades dielétricas (MCAs) nanoestruturados 3D foram introduzidos para a engenharia de captura de luz em banda larga e região espectral específica nos PDs baseados em silício. Aqui, o semicondutor de bandgap largo ZnO foi selecionado como o material da cavidade, que pode ser facilmente preparado por meio de variedades de métodos físicos ou químicos [26,27,28]. A cavidade esférica oca de ZnO foi fabricada usando os arranjos de nanosfera PS auto-montados como modelo combinado com o depósito físico e recozimento térmico, conforme relatado em nosso trabalho anterior [29]. A captura de luz de banda larga significativa foi caracterizada nas cavidades de ZnO otimizadas, a qual se provou ser originada das ressonâncias WGM pelo cálculo teórico. Portanto, um aprimoramento de fotodetecção de banda larga foi alcançado em PDs decorados com ZnO MCA. Enquanto isso, por causa das múltiplas ressonâncias WGM, especialmente os modos de vazamento no MCA, a densidade óptica local e a absorção efetiva na região de comprimento de onda específico foram promovidas na camada ativa dos PDs de silício. Consequentemente, além do aumento da responsividade de banda larga, um incremento de até 25% na fotossensibilidade na região de comprimento de onda específico (800–940 nm) sob a polarização de 0 V foi alcançado com sucesso. O emprego de absorção aprimorada por WGM para gerenciamento de luz em PDs demonstrado neste trabalho abre as portas para várias aplicações em outros dispositivos optoeletrônicos, como fotovoltaicos eficientes e diodos emissores de luz (LEDs).

Resultados e discussão

As vistas em corte transversal e superior da estrutura do dispositivo no PD de silicone com ZnO MCA decorado são mostradas esquematicamente na Fig. 1a e b, respectivamente. Aqui, os MCAs ZnO como fabricados com o diâmetro real do núcleo de 470 nm ao usar as nanoesferas PS 530 nm como modelo, referindo-se aos detalhes experimentais e processos de fabricação em (Arquivo adicional 1:Figura S1), nos PDs PIN estão bem ordenados no arranjo de monocamada com um pacote fechado hexagonal como mostrado na Fig. 1c. A forma esférica aceitável das cavidades, exceto para a área de contato com o substrato, pode ser bem reconhecida na seção transversal e imagens de SEM intituladas da Fig. 1d e arquivo adicional 1:Figura S2a. A superfície interna lisa também pode ser visualizada na morfologia interna desta cavidade óptica, como visto no arquivo adicional 1:Figura S2b, que seria compreensivelmente benéfico para a luz ressoando na estrutura da cavidade. A espessura real da casca ( T _shell ) na cavidade foi medido em ~ 40 nm (arquivo adicional 1:Figura S2b). Além disso, a cor de difração clara pode ser vista nas matrizes de ZnO MCA fabricadas em grande escala no substrato de PIN, como mostrado no arquivo adicional 1:Figura S3a, que se origina do efeito de difração da camada de ZnO MCA que aconteceu nos ângulos específicos que satisfazem os de Bragg equação [30]. É bem conhecido que quando os parâmetros da cavidade (por exemplo, diâmetro e espessura) combinam com o comprimento de onda da luz, as ressonâncias do modo de galeria sussurrante (WGM) seriam geradas. Portanto, neste tipo de PIN PDs MCA decorados, o confinamento de luz e acoplamento na camada ativa de PD através dos modos de vazamento [30] e o consequente aumento de captura de luz nos dispositivos podem ser esperados.

Ilustração esquemática de a os ZnO MCAs decoraram PIN PDs e b a vista superior do dispositivo PIN. c , d As imagens SEM planar e transversal dos MCAs ZnO como fabricados no PIN PD

A fim de verificar o confinamento de luz e as propriedades de aprisionamento dos MCAs ZnO fabricados, o espectro de transmissão simulado FDTD para os MCAs ZnO no substrato de safira como um caso simplificado foi primeiro examinado e comparado com os resultados experimentais, como mostrado nas Fig. 2a e b . Vários vales distintos podem ser bem resolvidos em comprimentos de onda de 415, 495, 547 e 650 nm no espectro de transmissão simulado. Por causa da absorção intrínseca da borda da banda de ZnO, nenhuma ressonância apareceu na região do UV onde o comprimento de onda é menor que 380 nm. Sem dúvida, esses vales no espectro de transmissão se originam da série de ressonâncias WGM suportadas nos MCAs ZnO e podem ser bem identificados por seus padrões de distribuição de campo próximo correspondentes em cada pico de ressonância, como mostrado no arquivo adicional 1:Figura S4. O padrão de ressonância típico para a segunda ordem de ressonância WGM perto de 650 nm foi mostrado seletivamente na inserção da Fig. 2a. Uma distribuição de campo intensificada foi claramente resolvida em torno da cavidade, que é conhecida como modo de vazamento [31] e seria subsequentemente favorável à luz irradiando para a camada ativa subjacente dos dispositivos. O espectro de transmissão experimental concorda bem com o simulado nos comprimentos de onda de ressonância correspondentes, exceto por um pequeno deslocamento de picos de comprimento de onda em 416, 492, 545 e 637 nm, como mostrado na Fig. 2b. Essas ressonâncias WGM nos MCAs produziram um amplo ângulo de espalhamento [32] da luz incidente, exibindo como um vale no espectro de transmissão próximo ao comprimento de onda de ressonância.

a Teórico e b espectros de transmissão experimental dos MCAs no substrato de safira. c , d Espectros de reflexão teóricos e experimentais dos MCAs em substratos de silício comparados com aqueles do silício puro. e O perfil de absorção no substrato de silício com e sem decoração MCA sob as excitações de luz on-ressonância (660 nm) e off-ressonância (840 nm)

Este efeito de espalhamento no substrato de Si decorado com ZnO MCAs também pode ser bem evidenciado pelo espectro de reflexão simulado como mostrado na Fig. 2c, onde podem ser encontradas séries de picos que combinam bem com os vales de ressonância mostrados nos espectros de transmissão [33]. Além disso, verificou-se que um efeito anti-reflexo de banda larga foi alcançado com sucesso no substrato de silício decorado com MCA quando comparado com o silício puro. O espectro de reflexão experimental no substrato de silício decorado com ZnO MCA (Fig. 2d) também mostra o efeito anti-reflexo e picos de ressonância semelhantes aos resultados teóricos, exceto por uma qualidade de ressonância muito inferior (Q) que pode ser causada pelo não estrutura esférica ideal e os defeitos existentes nos MCAs preparados experimentalmente. No entanto, esta qualidade de ressonância diminuída pode ser ainda mais favorável à anti-reflexão na região de comprimento de onda curto (<550 nm), o que seria muito benéfico para o aprisionamento de luz de banda larga nos dispositivos correspondentes, conforme evidenciado no trabalho anterior [16, 34 ]

Em comparação com a reflexão da superfície de silício nua, os espectros de reflexão teórica e experimental do silício decorado com MCA demonstraram bem que a série suportada de ressonâncias WGM pode ser usada para captura de luz, utilizando os modos de vazamento. No entanto, curiosamente, é digno de nota que a maior diminuição da reflexão aconteceu na região fora da ressonância ao invés dos picos na ressonância. Simulação adicional indicou que o forte aumento de absorção pode ser realizado com sucesso no substrato de silício revestido com MCA sob a banda de ressonância off (840 nm) em comparação com o silício puro, enquanto um perfil de absorção muito mais baixo foi obtido sob a ressonância on iluminação (660 nm), conforme mostrado na Fig. 2e (a configuração detalhada da simulação foi mostrada no arquivo Adicional 1:Figura S5). Este resultado infere que a ressonância WGM, especialmente a ressonância com fator de alta qualidade em algumas posições de comprimento de onda especiais, também pode espalhar a luz de volta [35], o que é desfavorável para o aumento de captura de luz. A distribuição extraída perto do campo mostrada no arquivo adicional 1:A Figura S6 também evidenciou que uma grande quantidade de potência óptica foi espalhada de volta devido à ressonância, levando a um perfil de absorção diminuído na camada ativa ao comparar com o silício puro sob a iluminação de comprimento de onda de ressonância.

A funcionalidade da camada de captura de luz MCA em PIN PDs de silício foi então avaliada pela caracterização da foto-resposta dos dispositivos. Como mostrado na resposta I – V típica da Fig. 3a, uma característica satisfatória do fotodiodo foi verificada nos dispositivos PIN PD de silicone como fabricados sob a condição de escuro e iluminação clara. Significativamente, com a decoração de MCAs, uma foto-resposta aprimorada em até ~ 25% pode ser realizada nos PDs em comparação com os PDs PIN de silicone apenas sob iluminação de 850 nm (como visto na Fig. 3b). A foto-responsividade dependente do comprimento de onda, conforme mostrado na Fig. 3c, apresenta uma foto-resposta dramaticamente melhorada dentro de um espectro de banda larga quase em toda a região visível e infravermelho próximo (IR) após decorar os MCAs nos dispositivos. A taxa de realce foi calculada e é mostrada na Fig. 3d. Pode ser visto que apenas dentro da região de comprimento de onda de 625 a 695 nm com o vale central localizado em ~ 660 nm não há aprimoramento, que apenas combinou bem com o de segunda ordem ( n =2) Ressonância WGM (comprimento de onda de pico a ~ 640 nm) como visto no espectro de transmissão (região de ressonância) da Fig. 2b. Embora dentro da região do infravermelho próximo (IR) mais usada (~ 800 a ~ 980 nm) para PDs de silício, obviamente, a responsividade aprimorada em até ~ 17% foi alcançada com sucesso. Coincidentemente, esta região de comprimento de onda também se encontra na região de ressonância, conforme mencionado acima. Os resultados foram bem consistentes com os resultados da simulação onde o aumento de absorção não pode ser aumentado sob a iluminação de ressonância, enquanto a absorção obviamente aumentada pode acontecer na região de ressonância desligada, como mostrado na Fig. 2e. No entanto, para a região de comprimento de onda curto (<600 nm), o aumento significativo na absorção, bem como na foto-resposta, ainda pode ser obtido, o que combinou bem com as notáveis ​​propriedades anti-reflexo para os MCAs em silício apresentados na Fig. . 2d. Como discutido acima, a qualidade real de ressonância muito baixa em cavidades dentro desta região deve ser a principal razão para a captura de luz de banda larga que é independente da ressonância on ou off.

a Curvas de corrente-tensão (IV) para os PIN PDs de silicone fabricados sob iluminação escura e clara (LED de 850 nm, 1,2 mW cm ⁻² ) b Comparação da resposta atual sob iluminação de luz LED de 850 nm e c a foto responsividade dependente do comprimento de onda nos dispositivos com e sem (controle) decoração dos MCAs. O aumento parcial na região de menor comprimento de onda (<380 nm) foi mostrado na inserção. d A taxa de melhoria correspondente calculada a partir de c , em que a ressonância ( R _em ) e ressonância off ( R _desligado ) região referida aos espectros de reflexão marcados como vermelho claro e verde claro no fundo, respectivamente

Os resultados acima demonstraram bem que as propriedades de captura de luz por meio da microcavidade WGM estão altamente relacionadas à qualidade da ressonância, que é dependente dos parâmetros das cavidades. A fim de verificar ainda mais o mecanismo de aprimoramento mencionado acima e manipular o aprimoramento de responsividade em dispositivos na região de comprimento de onda específico, como a detecção de região de infravermelho próximo (IR) amplamente utilizada para comunicação ou detecção, as ressonâncias WGM em MCAs foram reguladas controlando o tamanho das cavidades. Para a estrutura da cavidade da casca adotada neste trabalho, o comprimento óptico efetivo pode ser facilmente aumentado pelo espessamento da camada da casca [36]. Conforme mostrado na Fig. 4a, ao aumentar a espessura do invólucro para 60 nm, muito mais modos de ressonância foram observados no espectro de transmissão dos MCAs. Esses modos de ressonância também podem ser atribuídos às ressonâncias WGM correspondentes por meio da simulação teórica, conforme mostrado no Arquivo Adicional 1:Figura S7. Comparando com os MCAs na espessura do invólucro de 40 nm (Fig. 2b), o mesmo modo de ressonância exibe um desvio para o vermelho compreensível devido ao aumento do comprimento efetivo da cavidade. Os espectros de reflexão experimental na Fig. 4b também combinaram bem com o espectro de transmissão. Diferente dos espectros de reflexão experimental para os MCAs com uma espessura de casca de 40 nm mostrado na Fig. 2d, a ressonância real é mais distinguível indicando a qualidade de ressonância mais alta, o que significa que o efeito de retroespalhamento pode ser mais forte e não a favor da luz armadilhagem. As curvas de responsividade dependente do comprimento de onda são mostradas na Fig. 4d bem demonstram esta inferência, onde a responsividade em regiões de comprimento de onda específicas foi aumentada enquanto algumas outras regiões foram diminuídas. A partir da Fig. 4d, pode-se notar que a região mais realçada aconteceu de forma consistente na área de ressonância desligada, enquanto a região decrescente localizada na área de ressonância ligada. Além disso, em comparação com os MCAs decorados PDs com espessura de casca de 40 nm (mostrado na Fig. 3d), um aumento de responsividade muito maior foi alcançado na região de 800-980 nm, que é usado principalmente na comunicação e detecção de PDs de silício. Um aumento de até ~ 25% pode ser alcançado no comprimento de onda de 820 nm, conforme mostrado na Fig. 4d. Este aprimoramento muito mais forte deveria ter se originado da qualidade de ressonância mais alta para o WGM de segunda ordem dos MCAs, levando a um efeito de captura de luz mais alto por meio do modo de vazamento de ressonância WGM nesta região de comprimento de onda. A intensidade de refletância muito mais baixa nesta região de comprimento de onda explicou bem este aumento significativo na captura de luz, bem como a responsividade, como mostrado na Fig. 4b quando comparado com o espectro de reflexão na Fig. 2d para os MCAs com uma espessura de casca de 40 nm . Além disso, esse aprimoramento também aconteceu principalmente na região fora da ressonância.

a Espectro de transmissão experimental dos MCAs em substrato de safira com espessura de casca de 60 nm. b Os espectros de reflexão correspondentes de MCAs em um substrato de silício, em comparação com o substrato de silício puro. c As foto-responsividades no dispositivo com ou sem (controle) decoração de MCAs sob iluminação de luz LED de 850 nm. d A taxa de melhoria correspondente calculada a partir de c . O plano de fundo na região de ressonância e fora de ressonância em b e d referindo-se aos espectros de reflexão em b foi destacado em vermelho claro e verde claro, respectivamente

Enquanto para a região de ressonância de ~ 640 a 710 nm, como mostrado na Fig. 4d (o fundo foi marcado como vermelho claro), obviamente, a responsividade diminuída foi obtida razoavelmente devido ao efeito de retroespalhamento induzido pela alta qualidade de ressonância para este modo de ressonância, como discutido acima. Semelhante aos MCAs com uma espessura de casca de 40 nm, um forte aprimoramento ainda pode ser realizado na região de comprimento de onda curto (<500 nm), provavelmente por causa da qualidade de ressonância muito mais baixa e maior efeito anti-reflexo. O desempenho de estabilidade para essas melhorias pela engenharia de captura de luz também foi avaliada examinando a foto-resposta para o mesmo dispositivo armazenado no ar ambiente por 1 ano, que mostra quase nenhuma queda na resposta atual em comparação com o controle sob as mesmas condições de teste, conforme visto no Arquivo Adicional 1:Figura S8.

Conclusões

Em conclusão, uma nova estratégia foi proposta para a melhoria da absorção de luz dentro da banda larga e região de comprimento de onda específico para fotodetectores (PDs), utilizando as múltiplas ressonâncias WGM geradas em matrizes de microcavidades de ZnO (MCAs). Com a decoração dos arranjos de microcavidade dielétrica (MCAs) facilmente preparados nos PDs de PIN à base de silício, um aprisionamento de luz de banda larga e aumento de foto-responsividade foram alcançados com sucesso cobrindo quase toda a região do infravermelho próximo ultravioleta visível (300-1000 nm) . Resultados teóricos e experimentais indicaram que a radiação do modo de vazamento das ressonâncias WGM, que atuam mais efetivamente na região de ressonância fora, é o principal mecanismo de intensificação para captura de luz. Com a manipulação adicional dos picos de ressonância WGM e da qualidade da ressonância aumentando a espessura da casca das cavidades, captura de luz específica e aumento de responsividade foram alcançados na comunicação mais usada e região de detecção (800-980 nm) com a melhoria máxima de até ~ 25% a 820 nm. Este trabalho demonstrou bem um método de baixo custo e boa compatibilidade para melhorar o aprisionamento de luz e, portanto, a responsividade com banda larga ou espectro seletivo para fotodetecção, introduzindo o modo de vazamento de matrizes de cavidade dielétrica ressonante WGM. A abordagem de manipulação de luz empregada neste trabalho fornece um guia importante para o projeto de arquiteturas de micro e nanomateriais para facilitar as novas aplicações dentro de uma faixa de comprimento de onda específica em dispositivos optoeletrônicos.

Métodos / Experimental

Processo de fabricação de dispositivos PIN PD

Os PIN PDs foram fabricados em um substrato de silício tipo p (100) de 200 μm de espessura adquirido na WaferHome [37] com resistividade de 0,001 Ω cm. Uma camada intrínseca de 20 μm de espessura foi cultivada epitaxialmente no substrato. Em seguida, implantação de íon de fósforo tipo n com uma dose de implantação de 1 × 10 ¹⁶ cm ⁻² e uma energia de 160 keV foi executada na camada intrínseca para formar a estrutura final do dispositivo PIN. Antes da decoração das estruturas do MCA, o wafer do PIN era limpo de maneira padrão para remover a matéria orgânica residual da superfície e os íons metálicos. Finalmente, os processos de fabricação dos chips foram realizados com a região fotossensível projetada de 2,8 mm × 2,8 mm. Um eletrodo de alumínio de 100 nm de espessura em um diâmetro de 160 μm na superfície do tipo n e um filme de Au de 50 nm de espessura com 5 nm de camada de ligação de Ti no lado posterior foram depositados por pulverização catódica (Explorer-14, Denton Vacuum ) para formar um contato ôhmico de metal.

Processo de fabricação da camada ZnO MCA

Os MCAs de ZnO foram produzidos usando as nanoesferas de poliestireno (PS) como o modelo seguido pela deposição por pulverização catódica do filme de ZnO, e as nanoesferas de PS foram finalmente removidas por recozimento térmico [29]. Nanoesferas PS comerciais adquiridas da Nanomicro (Suzhou Nanomicro Technology Co., Ltd.) no diâmetro de 530 nm foram usadas como o material de molde para fabricar arranjos de microcavidades de ZnO. A camada de filmes finos de ZnO em diferentes espessuras (~ 40 e ~ 60 nm) foi controlada ajustando-se as diferentes durações de deposição.

Caracterizações

A morfologia e a estrutura foram caracterizadas por microscópio eletrônico de varredura por emissão de campo Hitachi S-4800 (FE-SEM). Dados de espectro de transmissão e reflexão experimental foram coletados por espectrofotômetro Varian Cary 5000 UV-Vis-NIR. As características de fotocorrente e IV dos dispositivos foram medidas em uma estação de trabalho eletroquímica (CHI660D) equipada com uma estação de sonda de temperatura ambiente e fontes de luz LED. A eficiência quântica externa (EQE) dos dispositivos sob polarização 0 foi medida usando um medidor de potência óptica (Newport, 2936-R), que está equipado com uma fonte de luz (Newport, 66.920) e um monocromador (Cornerstone 260, Newport). Espectros de transmissão / reflexão simulados e distribuição de campo próximo foram extraídos por um pacote de simulação FDTD (FDTD Solutions, Lumerical Inc.).

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados gerados ou analisados ​​durante este estudo estão incluídos neste artigo publicado e seus arquivos de informações complementares.

Abreviações

3D:

Tridimensional

EQE:

Eficiência quântica externa

IR:

Infravermelho

IV:

Corrente electrica

MCAs:

Matrizes de microcavidades

PDs:

Fotodetectores

PIN:

Positivo-intrínseco-negativo

PS:

Poliestireno

R _desligado :

Fora de ressonância

R _em :

On-ressonance

T _shell :

Espessura da casca

WGM:

Whispering-gallery-mode

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