Uitstekende lichtopsluiting van hemiellipsoid- en geïnverteerde hemiellipsoid-gemodificeerde halfgeleider nanodraadarrays

Resultaten en discussie

Figuur 2 vat ^N . samen J _ph als een functie van h voor de hemiellopsoïde- en omgekeerde hemiellipsoïde-gemodificeerde GaAs NW-arrays met H van (a) 1000, (b) 2000 en (c) 3000 nm; en D van 100, 300 en 500 nm. Men merkt op dat ^N J _ph voor alle arrays met D van 100 nm neemt eentonig af met de toegenomen h . Voor dergelijke arrays met grotere D van 300 en 500 nm, kan over het algemeen verbeterde lichtopsluiting worden waargenomen na het aanbrengen van een topmodificatie met de juiste afmetingen, behalve in het geval van D = 300 nm en H = 1000 nm. Bovendien, hoe dikker de NW's, hoe meer opmerkelijke verbetering van lichtopsluiting kan worden gerealiseerd. Het is opmerkelijk dat, zoals weergegeven in figuur 2a, ^N J _ph van 0,90 en 0,95 kan worden bereikt voor de omgekeerde hemiellipsoïde modificatie met de effectieve diktes van slechts ~ 180 en 270 nm voor de array met D = 500 nm, H = h = 1000 nm en de array met D = 500 nm, H = 1000 nm en h = 750 nm, respectievelijk.

Genormaliseerde theoretische fotostroomdichtheid ( ^N J _ph ) voor de hemiellipsoïde- en omgekeerde hemiellipsoïde-gemodificeerde GaAs NW-arrays als functie van de hemiellipsoïde hoogte (h ) op verschillende totale hoogten van a 1000, b 2000, en c 3000 nm. De draaddiameters (D ) zijn 100, 300 en 500 nm. De rode stippellijn en rode stippellijn in elke afbeelding geven de waarden van ^N . aan J _ph van respectievelijk 0,90 en 0,95

Het is algemeen bekend dat antireflectie een inherente functie is voor NW-arrays vanwege het verminderde verschil tussen brekingsindices van de omgeving (normaal gesproken lucht) en optische structuur in vergelijking met hun tegenhangers met platte wafels/films [27, 52]. Antireflectie leidt echter niet tot effectieve lichtabsorptie vanwege de mogelijke verbetering van de lichttransmissie door de absorbers. In deze studie zijn de arrays met D van 100 nm hebben de laagste vulverhouding en dus de kleinste effectieve brekingsindex. Hoewel deze arrays uitstekende antireflectie vertonen, is de lichttransmissie aanzienlijk sterk, vooral in het lange-golflengteregime (zie figuur 3a), d.w.z. het gebied met hoge dichtheid van fotonen. Bovendien, zoals aangegeven in Fig. 3a, draagt ​​topmodificatie weinig bij aan antireflectie, maar leidt het tot verbeterde lichttransmissie, waardoor de lichtabsorptie slechter wordt (zie Fig. 3b), en resulterend in de afname van ^N J _ph voor arrays met een NW-diameter van 100 nm. Bovendien merkt men op dat het belangrijkste mechanisme voor lichtopsluiting de HE₁₁ . is lekmodus (zie de inzet van Fig. 3b) voor de NW-arrays van D = 100 nm [65].

een Reflectie/transmissie en b absorptie van de arrays van H = 2000 nm en D = 100 nm. c Reflectie, d transmissie, en e absorptie van de arrays van H = 2000 nm en D = 500 nm. v Absorptie van de zuivere NW-arrays met D van 100, 300 en 500 nm en H = 2000 nm. De inzet van b toont de verdeling van de elektrische veldsterkte van de HE₁₁ modus, en de witte gestippelde cirkel schetst de omtrek van de draad. De inzet van f vertoont de elektrische veldsterkteverdeling van de zuivere NW-array met H = 2000 nm en D = 500 nm bij de golflengte van 810 nm

Voor de NW-arrays met grotere D van 300 en 500 nm, neemt de vulverhouding en dus de effectieve brekingsindex toe, en wordt lichtreflectie duidelijk, zoals weergegeven in Fig. 3c. Voor deze arrays kan een geschikte modificatie met behulp van zowel hemiellipsoïde als omgekeerde hemiellipsoïde de lichtreflectie opmerkelijk verminderen, waardoor de lichtabsorptie wordt verbeterd (zie figuur 3c en e). Bovendien is het duidelijk dat uitstekende lichtopsluiting kan worden bereikt in een breed bereik van modificatiehoogtes, waardoor het gemak wordt verschaft voor het vervaardigen van de gerelateerde hoogwaardige apparaten. Bijvoorbeeld, zoals weergegeven in Afb. 2b, ^N J _ph van 0,95 kan worden bereikt voor een NW-array met een diameter van 500 nm met omgekeerde hemiellipsoïde in het bereik van 350-2000 nm of met hemiellipsoïde in het bereik van 600-2000 nm. Echter, buitensporige wijziging (d.w.z. h is te groot), vooral in het geval dat het gebruik van omgekeerde hemiellipsoïden zou leiden tot een aanzienlijk verbeterde lichttransmissie en verminderde lichtabsorptie rond de bandgap-energie, zoals weergegeven in Fig. 3d en e. Dienovereenkomstig is de eerste stijging en volgende daling van ^N J _ph wordt waargenomen voor de gerelateerde NW-arrays (zie Fig. 2).

Afbeelding 3f toont de absorptiespectra van de zuivere NW-arrays met D van 100, 300 en 500 nm, en H van 2000 nm. Het is duidelijk dat de lichtabsorptierand verschuift naar de lange golflengte, en ondertussen verandert het belangrijkste lichtbeheermechanisme van lekkende modus naar lichtverstrooiing als D neemt toe. Bovendien, voor NW's met D van 500 nm kunnen enkele absorptie-oscillaties rond 800 nm worden waargenomen, die worden toegeschreven aan de geleide longitudinale resonanties, zoals weergegeven in de inzet van figuur 3f. Het is bekend dat als D toeneemt, neemt ook de drempel/langste golflengte die een geleide longitudinale modus kan vormen toe [56, 57]. Voor licht met een lange golflengte is het amplitudeverval bij voortplanting langs de draadas relatief zwakker dan dat van licht met een korte golflengte vanwege de kleinere absorptiecoëfficiënt. Als de draadlengte niet te lang is, kan de gereflecteerde golf van de NW-bodem interfereren met de inkomende golf om de geleide longitudinale resonanties te vormen.

Om de invloed van topmodificatie op lichtbeheer beter te begrijpen, ruimtelijke verdeling van de dragergeneratiesnelheid voor de arrays (H = 2000 nm en D = 500 nm) gewijzigd door hemiellipsoïden (h = 500 nm) en omgekeerde hemielliopsoïden (h = 500 nm) bij AM 1.5G-verlichting wordt getoond in Fig. 4. De overeenkomstige verdeling in de pure NW-array met H en D van 2000 en 500 nm wordt ook ter vergelijking gepresenteerd. Het is duidelijk dat het distributiegebied van foto-gegenereerde dragers wordt uitgebreid vanwege het synergetische effect van verbeterde antireflectie en lichtverstrooiing na het introduceren van de juiste topmodificatie. Het komt overeen met de versterkte ^N J _ph / verbeterde lichtopsluiting voor de gemodificeerde arrays, zoals weergegeven in figuur 2b. Bovendien is de uitbreiding van de door foto gegenereerde dragerdistributie gunstig voor het verzamelen van dragers, vooral voor de vlakke pn verbindingsconfiguratie, en maakt ondertussen de structuren beter verdraagbaar voor bulkdefecten/slechte materiaalkwaliteiten. Het is vermeldenswaard dat in vergelijking met de pure NW-array, topmodificatie ook leidt tot de opmerkelijk verhoogde dragerdichtheid op het oppervlak, en oppervlaktepassivering is noodzakelijk om oppervlakterecombinatieverliezen van foto-gegenereerde dragers voor dergelijke arrays te verminderen [66, 67].

Ruimtelijke verdeling van de door foto gegenereerde dragergeneratiesnelheid bij AM 1.5G-verlichting voor de arrays (H = 2000 nm en D = 500 nm) bovenaan gemodificeerd door (links) hemiellipsoïden (h = 500 nm) en (middelste) omgekeerde hemiellipsoïden (h = 500 nm). De generatiesnelheid (rechts) in de zuivere NW-reeks van H = 2000 nm en D = 500 nm wordt ter vergelijking weergegeven

Als uitstekende lichtabsorbeerder is een effectieve lichtinsluiting onder schuine inval noodzakelijk. Afbeelding 5 toont de absorptiespectra bij de invalshoek, α =0, 30 en 60 graden (°) voor de (a) hemiellipsoïde- en (b) omgekeerde hemiellipsoïde-gemodificeerde GaAs NW-arrays met dezelfde structurele parameters als de arrays getoond in Fig. 4. Het is opmerkelijk dat zelfs bij α = 60°, er is slechts beperkte degradatie waarneembaar, wat wijst op uitstekende alzijdige lichtopsluiting door beide modificaties. De berekende fotostroomdichtheid, J _ph voor deze twee arrays is samengevat in de inzet van Fig. 5a en b. Men merkt op dat vergeleken met J _ph van ~ 27,7 en 16,0 mA/cm ² voor een ideale GaAs-absorbeerder bij α =respectievelijk  30° en 60°, de corresponderende waarde voor beide gewijzigde NW-arrays vertoont slechts een beperkte reductie.

Absorptiespectra van de a hemiellipsoïde- en b omgekeerde hemiellipsoïde-gemodificeerde GaAs NW-arrays (H = 2000 nm, D = 500 nm, en h = 500 nm) bij de invalshoek (α ) van 0, 30 en 60°. De inzettabellen vatten de theoretische fotostroomdichtheid samen (J _ph ) voor deze twee top-gemodificeerde NW-arrays bij respectievelijk de overeenkomstige invalshoeken

Het is bekend dat voor experimenteel vervaardigde NW's de oppervlakken normaal gesproken niet zo glad zijn als die in de simulaties. Om de validiteit van de simulatieresultaten voor het begeleiden van experimenteel onderzoek te controleren, werden optische kenmerken van de GaAs NW-arrays met een orthohexagonale draaddoorsnede gesimuleerd en vergeleken met die van de overeenkomstige NW-arrays met een cirkeldraaddoorsnede. Figuur 6 vergelijkt de absorptiespectra van deze twee soorten arrays met hetzelfde volume (gekenmerkt door de diameter (100, 300 en 500 nm) van de cirkel NW's) en draadlengte van 2 μm in het spectrale bereik van 310 nm (4 eV ) tot 873,2 nm (1,42 eV, dwz de bandgap-energie van GaAs). Men merkt op dat er geen duidelijke verschillen zijn in het optische gedrag tussen deze twee soorten NW-arrays in het beschouwde spectrale bereik. Dienovereenkomstig wordt aangenomen dat de simulatieresultaten die zijn geconcludeerd uit de NW-arrays met een cirkelvormige draaddoorsnede ook van toepassing zijn op andere arrays met een andere draaddoorsnede.

Vergelijking van de absorptiespectra van de GaAs zuivere NW-arrays met de cirkel- en orthohexagonale draaddoorsneden. De arrayperiode en draadlengte zijn respectievelijk 600 nm en 2 μm. De draadvolumes voor de corresponderende NW-arrays zijn hetzelfde en worden gekenmerkt door de diameter (100, 300 en 500 nm) van de NW's met een cirkeldoorsnede

Bovendien is uit de bovenstaande discussie gebleken dat de combinatie van de bovenste modificatie voor ruimtelijke modulatie van de brekingsindex en verbeterde lichtverstrooiing door de bodemstructuur met aangepaste karakteristieke afmeting een gemakkelijk te hanteren richtlijn is voor het leiden van het ontwerp van hoogwaardige lichtabsorbers.