Light-Trapping Engineering voor de verbeteringen van breedband en spectra-selectieve fotodetectie door zelf-geassembleerde diëlektrische microcavity arrays

Resultaten en discussie

De dwarsdoorsnede- en bovenaanzichten van de apparaatstructuur in de ZnO MCA-versierde PIN-silicium PD worden schematisch weergegeven in respectievelijk Fig. 1a en b. Hier de as-fabricated ZnO MCA's met de werkelijke kerndiameter van 470 nm bij gebruik van de 530 nm-PS nanosferen als sjabloon, verwijzend naar de experimentele details en fabricageprocessen in (Aanvullend bestand 1:Figuur S1), op de PIN PD's zijn goed geordend in de monolaagopstelling met een hexagonaal close-pack zoals weergegeven in figuur 1c. De acceptabele sferische vorm van de holtes, behalve het contactgebied met het substraat, kan goed worden herkend in de dwarsdoorsnede en de titel SEM-afbeeldingen van figuur 1d en aanvullend bestand 1:figuur S2a. Het gladde binnenoppervlak kan ook worden gevisualiseerd in de interne morfologie van deze optische holte, zoals te zien is in aanvullend bestand 1:figuur S2b, wat begrijpelijkerwijs gunstig zou zijn voor licht dat resoneert in de holtestructuur. De werkelijke schaaldikte (T _schaal ) in de holte werd gemeten als ~  40 nm (aanvullend bestand 1:figuur S2b). Bovendien is een duidelijke diffractiekleur te zien op de grootschalige gefabriceerde ZnO MCA-arrays op PIN-substraat, zoals weergegeven in aanvullend bestand 1:figuur S3a, die afkomstig is van het diffractie-effect van de ZnO MCA-laag die plaatsvond onder de specifieke hoeken die voldoen aan de Bragg's vergelijking [30]. Het is algemeen bekend dat wanneer caviteitsparameters (bijv. diameter en dikte) overeenkomen met de lichtgolflengte, de WGM-resonanties (fluistergalerijmodus) zouden worden gegenereerd. Daarom kan in dit soort MCA-versierde PIN PD's de lichtopsluiting en koppeling in de actieve laag van PD via de lekkende modi [30] en de daaruit voortvloeiende verbetering van het licht in de apparaten worden verwacht.

Schematische illustratie van a de ZnO MCA's versierden PIN PD's en b het bovenaanzicht van het pinapparaat. c , d De vlakke en transversale SEM-beelden van de as-fabricated ZnO MCA's op de PIN PD

Om de lichtopsluiting en vangsteigenschappen van de gefabriceerde ZnO MCA's te verifiëren, werd eerst het FDTD-gesimuleerde transmissiespectrum voor de ZnO MCA's op het saffiersubstraat als een vereenvoudigd geval onderzocht en vergeleken met de experimentele resultaten, zoals weergegeven in Fig. 2a en b . Verschillende onderscheiden valleien kunnen goed worden onderscheiden bij golflengten van 415, 495, 547 en 650 nm in het gesimuleerde transmissiespectrum. Vanwege de intrinsieke band-edge-absorptie van ZnO verscheen er geen resonantie in het UV-gebied waar de golflengte korter is dan 380 nm. Deze dalen in het transmissiespectrum zijn ongetwijfeld afkomstig van de reeks ondersteunde WGM-resonanties in de ZnO MCA's en kunnen goed worden geïdentificeerd aan de hand van hun overeenkomstige near-field distributiepatronen onder elke resonantiepiek, zoals weergegeven in aanvullend bestand 1:figuur S4. Het typische resonantiepatroon voor de tweede orde van WGM-resonantie nabij 650 nm werd selectief getoond in de inzet van figuur 2a. Rond de holte werd duidelijk een geïntensiveerde veldverdeling opgelost, die bekend staat als de lekkende modus [31] en die vervolgens gunstig zou zijn voor het licht dat in de onderliggende actieve laag van de apparaten uitstraalt. Het experimentele transmissiespectrum komt goed overeen met het gesimuleerde spectrum bij de overeenkomstige resonantiegolflengten, behalve een kleine verschuiving van golflengtepieken bij 416, 492, 545 en 637 nm, zoals weergegeven in figuur 2b. Deze WGM-resonanties in de MCA's produceerden een brede hoekverstrooiing [32] van het invallende licht, dat zich als een dal in de transmissiespectra nabij de resonantiegolflengte voordeed.

een Theoretisch en b experimentele transmissiespectra van de MCA's op het saffiersubstraat. c , d Theoretische en experimentele reflectiespectra van de MCA's op siliciumsubstraten vergeleken met die op het kale silicium. e Het absorptieprofiel in het siliciumsubstraat met en zonder MCA-decoratie onder de op-resonantie (660 nm) en uit-resonantie (840 nm) lichtexcitaties

Dit verstrooiingseffect op met ZnO MCA's versierd Si-substraat kan ook goed worden bewezen door het gesimuleerde reflectiespectrum zoals weergegeven in figuur 2c, waar reeksen pieken kunnen worden gevonden die goed overeenkwamen met de resonantievalleien getoond in de transmissiespectra [33]. Bovendien werd gevonden dat een breedband antireflectie-effect met succes werd bereikt op het met MCA versierde siliciumsubstraat in vergelijking met het kale silicium. Het experimentele reflectiespectrum op met ZnO MCA gedecoreerd siliciumsubstraat (figuur 2d) toont ook het vergelijkbare antireflectie-effect en resonantiepieken als de theoretische resultaten, behalve een veel lagere resonantiekwaliteit (Q) die kan worden veroorzaakt door de niet- ideale bolvormige structuur en de bestaande defecten in de experimenteel bereide MCA's. Deze verminderde resonantiekwaliteit zou echter verder bevorderlijk kunnen zijn voor de antireflectie in het korte golflengtegebied (<-550 nm), wat veel gunstig zou zijn voor de breedbandlichtvangst op de overeenkomstige apparaten, zoals aangetoond in het vorige werk [16, 34 ].

Met vergelijking met de reflectie van het kale siliciumoppervlak, toonden zowel de theoretische als experimentele reflectiespectra van de met MCA versierde siliciumput aan dat de ondersteunde reeks WGM-resonanties kan worden gebruikt voor het opvangen van licht door gebruik te maken van de lekkende modi. Interessant genoeg was het echter opmerkelijk dat de meestal verminderde reflectie plaatsvond in het off-resonantiegebied in plaats van in de on-resonantiepieken. Verdere simulatie gaf goed aan dat de sterke absorptieverbetering met succes kan worden gerealiseerd in het met MCA gecoate siliciumsubstraat onder de off-resonantieband (840 nm) vergeleken met die op het kale silicium, terwijl een veel lager absorptieprofiel werd verkregen onder de on-resonantieband verlichting (660 nm), zoals weergegeven in Fig. 2e (de gedetailleerde simulatie-opstelling werd getoond in Extra bestand 1:Afbeelding S5). Dit resultaat leidt tot de conclusie dat de WGM-resonantie, met name de resonantie met een hoge kwaliteitsfactor in sommige speciale golflengteposities, het licht ook terug zou kunnen verstrooien [35], wat ongunstig is voor de verbetering van het opvangen van licht. De geëxtraheerde bijna-gearchiveerde distributie getoond in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S6 toonde ook aan dat een grote hoeveelheid optisch vermogen werd teruggestrooid als gevolg van de resonantie, wat leidde tot een verminderd absorptieprofiel in de actieve laag in vergelijking met bloot silicium onder de on- resonantie golflengte verlichting.

De functionaliteit van de lichtvangende MCA-laag op silicium PIN PD's werd vervolgens geëvalueerd door de fotorespons van de apparaten te karakteriseren. Zoals getoond in de typische I-V-respons van figuur 3a, werd een bevredigende fotodiode-karakteristiek geverifieerd in de als gefabriceerde silicium PIN PD-apparaten onder zowel de donkere toestand als de lichte verlichting. Het is veelbetekenend dat met de decoratie van MCA's een verbeterde fotorespons tot ~ 25% kan worden gerealiseerd op de PD's in vergelijking met die in de enige silicium PIN PD's onder 850 nm lichtverlichting (zoals te zien in figuur 3b). De golflengte-afhankelijke foto-responsiviteit, zoals weergegeven in figuur 3c, geeft een dramatisch verbeterde foto-respons binnen een breedbandspectrum bijna over het hele zichtbare en nabij-infrarode (IR) gebied na het versieren van de MCA's op de apparaten. De verbeteringsverhouding werd berekend en wordt weergegeven in figuur 3d. Het is te zien dat er alleen binnen het golflengtegebied van 625 tot 695  nm met de middelste vallei op ~ -660 nm er geen verbetering is, wat gewoon goed overeenkwam met de tweede orde (n = 2) WGM-resonantie (piekgolflengte bij ~ -640 nm) zoals te zien in de transmissiespectra (on-resonantiegebied) van figuur 2b. Terwijl binnen het meest gebruikte nabij-infrarood (IR) gebied (~ 800 tot ~ 980nm) voor silicium PD's, werd duidelijk een verbeterde responsiviteit tot ~~17% met succes bereikt. Toevallig lag dit golflengtegebied ook in het niet-resonantiegebied zoals hierboven vermeld. De resultaten waren goed consistent met de simulatieresultaten waarbij absorptieverbetering niet kon worden verbeterd onder de aan-resonantieverlichting, terwijl duidelijk verbeterde absorptie kan optreden in het niet-resonante gebied, zoals weergegeven in figuur 2e. Voor het korte golflengtegebied (<-600 nm) kan echter nog steeds een significante verbetering van de absorptie en de fotorespons worden verkregen, wat goed overeenkwam met de opmerkelijke antireflectie-eigenschappen voor de MCA's op silicium gepresenteerd in Fig. 2d. Zoals hierboven besproken, zou de feitelijk veel lage resonantiekwaliteit in holtes in deze regio de belangrijkste reden moeten zijn voor de breedbandige lichtvangst die onafhankelijk is van de aan- of uit-resonantie.

een Stroom-spanningscurves (IV) voor de gefabriceerde silicium PIN PD's onder donkere en lichte verlichting (850 nm LED, 1,2 mW cm ⁻² ). b Vergelijking van de huidige respons onder 850 nm LED-lichtverlichting en c de golflengte-afhankelijke fotoresponsiviteit in de apparaten met en zonder (controle) MCA's decoratie. De gedeeltelijke vergroting in het kortere golflengtegebied (<-380 nm) werd getoond in de inzet. d De bijbehorende verbeteringsverhouding berekend op basis van c , waarbij de aan-resonantie (R _aan ) en off-resonantie (R _uit ) gebied verwezen naar de reflectiespectra gemarkeerd als respectievelijk lichtrood en lichtgroen op de achtergrond

De bovenstaande resultaten toonden goed aan dat de lichtvangende eigenschappen via de WGM-microholte sterk gerelateerd zijn aan de resonantiekwaliteit, die afhankelijk is van de parameters van de holtes. Om het bovengenoemde verbeteringsmechanisme verder te verifiëren en de responsiviteitsverbetering op apparaten in een specifiek golflengtegebied te manipuleren, zoals het veelgebruikte nabij-infrarood (IR) gebied dat detecteert voor communicatie of detectie, werden de WGM-resonanties in MCA's gereguleerd door de controle van de grootte van de holtes. Voor de holte van de schaalstructuur die in dit werk is aangenomen, kan de effectieve optische lengte eenvoudig worden vergroot door de schaallaag te verdikken [36]. Zoals getoond in figuur 4a, werden door de schaaldikte te vergroten tot 60 nm veel meer resonantiemodi waargenomen in het transmissiespectrum van de MCA's. Deze resonantiemodi kunnen ook worden toegewezen aan de corresponderende WGM-resonanties door middel van de theoretische simulatie, zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S7. In vergelijking met de MCA's met een schaaldikte van 40 nm (figuur 2b), vertoont dezelfde resonantiemodus een begrijpelijke roodverschuiving vanwege de grotere effectieve lengte van de holte. De experimentele reflectiespectra in figuur 4b kwamen ook goed overeen met het transmissiespectrum. Anders dan de experimentele reflectiespectra voor de MCA's met een schaaldikte van 40 nm getoond in Fig. 2d, is de werkelijke resonantie beter te onderscheiden, wat wijst op de hogere resonantiekwaliteit, wat betekent dat het terugverstrooiingseffect sterker kan zijn en niet in het voordeel van het licht vangen. De golflengte-afhankelijke responsiviteitscurven worden getoond in figuur 4d en tonen deze gevolgtrekking goed aan, waarbij de responsiviteit in specifieke golflengtegebieden is verbeterd terwijl sommige andere regio's zijn afgenomen. Uit figuur 4d kan worden opgemerkt dat het meest verbeterde gebied consequent plaatsvond in het niet-resonantiegebied, terwijl het gebied in het aan-resonantiegebied werd verlaagd. Bovendien, in vergelijking met de met MCA's versierde PD's met een schaaldikte van 40 nm (getoond in figuur 3d), werd een veel hogere responsiviteitsverbetering bereikt binnen het gebied van 800-980 nm, dat meestal wordt gebruikt in communicatie en detectie voor silicium PD's. Een verbetering tot ~ 25% kan worden bereikt bij de golflengte van 820 nm, zoals weergegeven in figuur 4d. Deze veel sterkere verbetering zou afkomstig moeten zijn van de hogere resonantiekwaliteit voor de tweede-orde WGM van de MCA's, wat leidt tot het hogere lichtvangende effect door de lekkende modus van WGM-resonantie in dit golflengtegebied. De veel lagere reflectie-intensiteit in dit golflengtegebied verklaarde goed deze significante verbetering van het opvangen van licht, evenals de responsiviteit, zoals weergegeven in figuur 4b bij vergelijking met het reflectiespectrum in figuur 2d voor de MCA's met een schaaldikte van 40 nm . Bovendien vond deze verbetering ook meestal plaats in het off-resonantiegebied.

een Experimenteel transmissiespectrum van de MCA's op saffiersubstraat met een schaaldikte van 60 nm. b De overeenkomstige reflectiespectra van MCA's op een siliciumsubstraat, vergeleken met het kale siliciumsubstraat. c De foto-responsiviteiten in het apparaat met of zonder (controle) MCA's 'decoratie onder 850 nm LED-lichtverlichting. d De bijbehorende verbeteringsverhouding berekend op basis van c . De achtergrond binnen de resonantie- en off-resonantieregio in b en d verwijzend naar de reflectiespectra in b werd gemarkeerd in respectievelijk lichtrood en lichtgroen

Terwijl voor het on-resonantiegebied van ~ -640 tot 710  nm zoals weergegeven in figuur 4d (achtergrond was gemarkeerd als lichtrood), werd duidelijk een verminderde responsiviteit verkregen redelijkerwijs vanwege het terugverstrooiingseffect veroorzaakt door de hoge resonantiekwaliteit voor deze resonantiemodus, zoals hierboven besproken. Net als de MCA's met een schaaldikte van 40 nm, kan er nog steeds een sterke verbetering worden gerealiseerd in het korte golflengtegebied (<-500 nm), hoogstwaarschijnlijk vanwege de veel lagere resonantiekwaliteit en het hogere antireflectie-effect. De stabiliteitsprestaties voor deze verbeteringen door de techniek voor het opvangen van licht zijn ook verder geëvalueerd door de fotorespons te onderzoeken voor hetzelfde apparaat dat gedurende 1 jaar in de omgevingslucht is opgeslagen, die bijna geen verval in de huidige respons vertoont in vergelijking met de controle onder dezelfde testomstandigheden, zoals te zien in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S8.