Pengurangan Cahaya Yang Sangat Baik dari Hemiellipsoid- dan Inverted Hemiellipsoid-Modified Semiconductor Nanowire Arrays

Hasil dan Diskusi

Gambar 2 merangkum ^N J _ph sebagai fungsi dari h untuk larik GaAs NW termodifikasi hemiellopsoid dan terbalik dengan H dari (a) 1000, (b) 2000, dan (c) 3000 nm; dan D 100, 300 dan 500 nm. Satu catatan bahwa ^N J _ph untuk semua array dengan D 100 nm berkurang secara monoton dengan peningkatan h . Namun, untuk array seperti itu dengan D larger yang lebih besar 300 dan 500 nm, pengurungan cahaya yang ditingkatkan secara umum dapat diamati setelah memperkenalkan modifikasi atas dengan ukuran yang sesuai, kecuali untuk kasus D = 300 nm dan H = 1000 nm. Selain itu, semakin tebal NW, semakin banyak peningkatan luar biasa dari kurungan cahaya yang dapat diwujudkan. Perlu diperhatikan bahwa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, ^N J _ph 0,90 dan 0,95 dapat dicapai untuk modifikasi hemiellipsoid terbalik dengan ketebalan efektif hanya ~ 180 dan 270 nm untuk larik dengan D = 500 nm, H = h = 1000 nm dan larik dengan D = 500 nm, H = 1000 nm dan h = 750 nm, masing-masing.

Kerapatan arus foto teoretis yang dinormalisasi ( ^N J _ph ) untuk larik GaAs NW termodifikasi hemiellipsoid dan terbalik sebagai fungsi dari tinggi hemiellipsoid (h ) pada ketinggian total a . yang berbeda 1000, b 2000, dan c 3000 nm. Diameter kawat (D ) adalah 100, 300, dan 500 nm. Garis titik merah dan garis putus-putus merah pada setiap gambar menunjukkan nilai ^N J _ph masing-masing dari 0,90 dan 0,95

Telah diketahui dengan baik bahwa antirefleksi adalah fungsi yang melekat pada susunan NW karena berkurangnya perbedaan antara indeks bias lingkungan sekitar (biasanya udara) dan struktur optik dibandingkan dengan wafer/film datarnya [27, 52]. Namun, antirefleksi tidak secara konsekuen menghasilkan penyerapan cahaya yang efektif karena kemungkinan peningkatan transmisi cahaya melalui peredam. Dalam penelitian ini, array dengan D 100 nm memiliki rasio pengisian terendah dan dengan demikian indeks bias efektif terkecil. Meskipun susunan ini menunjukkan antirefleksi yang sangat baik, transmisi cahaya secara signifikan kuat, terutama dalam rezim panjang gelombang panjang (lihat Gambar 3a), yaitu, wilayah densitas tinggi foton. Selanjutnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, modifikasi atas memiliki sedikit kontribusi terhadap antirefleksi, tetapi mengarah pada peningkatan transmisi cahaya, sehingga membuat penyerapan cahaya menjadi lebih buruk (lihat Gambar. 3b), dan mengakibatkan penurunan ^N J _ph untuk larik berdiameter 100 nm NW. Selain itu, ada catatan bahwa mekanisme kurungan cahaya utama adalah HE₁₁ mode bocor (lihat sisipan Gbr. 3b) untuk larik NW D = 100 nm [65].

a Refleksi/transmisi dan b penyerapan array H = 2000 nm dan D = 100 nm. c Refleksi, d transmisi, dan e penyerapan array H = 2000 nm dan D = 500 nm. f Penyerapan susunan NW murni dengan D dari 100, 300, dan 500 nm dan H = 2000 nm. Sisipan b menunjukkan distribusi kuat medan listrik HE₁₁ mode, dan lingkaran putus-putus putih menguraikan pinggiran kawat. Sisipan f menunjukkan distribusi kekuatan medan listrik dari susunan NW murni dengan H = 2000 nm dan D = 500 nm pada panjang gelombang 810 nm

Untuk array NW dengan D larger yang lebih besar 300 dan 500 nm, rasio pengisian dan dengan demikian indeks bias efektif meningkat, dan pantulan cahaya menjadi jelas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c. Untuk susunan ini, modifikasi yang tepat menggunakan hemiellipsoid dan hemiellipsoid terbalik dapat sangat mengurangi pantulan cahaya, sehingga meningkatkan penyerapan cahaya (lihat Gbr. 3c dan e). Selain itu, terbukti bahwa kurungan cahaya yang sangat baik dapat dicapai dalam kisaran tinggi modifikasi yang luas, sehingga memberikan kemudahan untuk fabrikasi perangkat kinerja tinggi terkait. Misalnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b, ^N J _ph 0,95 dapat dicapai untuk larik NW berdiameter 500 nm dengan hemiellipsoid terbalik dalam kisaran 350-2000 nm atau dengan hemiellipsoid dalam kisaran 600-2000 nm. Namun, modifikasi berlebihan (yaitu, h terlalu besar) terutama untuk kasus yang menggunakan hemiellipsoid terbalik akan menghasilkan transmisi cahaya yang ditingkatkan secara signifikan dan mengurangi penyerapan cahaya di sekitar energi celah pita, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d dan e. Dengan demikian, kenaikan pertama dan penurunan berikutnya ^N J _ph diamati untuk larik NW terkait (lihat Gbr. 2).

Gambar 3f menunjukkan spektrum serapan larik NW murni dengan D dari 100, 300, dan 500 nm, dan H dari 2000 nm. Jelas bahwa tepi penyerapan cahaya bergeser ke arah panjang gelombang yang panjang, dan sementara itu mekanisme manajemen cahaya utama berubah dari mode bocor menjadi hamburan cahaya sebagai D meningkat. Selain itu, untuk NW dengan D dari 500 nm, beberapa osilasi penyerapan sekitar 800 nm dapat diamati, yang dikaitkan dengan resonansi longitudinal terpandu, seperti yang ditunjukkan pada sisipan Gambar 3f. Diketahui bahwa sebagai D meningkat, ambang/panjang gelombang terpanjang yang dapat membentuk mode longitudinal terpandu juga meningkat [56, 57]. Untuk cahaya dengan panjang gelombang panjang, peluruhan amplitudo ketika merambat sepanjang sumbu kawat relatif lebih lemah daripada cahaya dengan panjang gelombang pendek karena koefisien penyerapan yang lebih kecil. Jika panjang kawat tidak terlalu panjang, gelombang pantul dari dasar NW dapat mengganggu gelombang yang datang untuk membentuk resonansi longitudinal terpandu.

Untuk lebih memahami pengaruh modifikasi teratas pada manajemen cahaya, distribusi spasial laju pembangkitan pembawa untuk larik (H = 2000 nm dan D = 500 nm) dimodifikasi oleh hemiellipsoids (h = 500 nm) dan hemielliopsoid terbalik (h = 500 nm) pada iluminasi AM 1.5G ditunjukkan pada Gambar. 4. Distribusi yang sesuai dalam larik NW murni dengan H dan D 2000 dan 500 nm juga disajikan untuk perbandingan. Jelas bahwa wilayah distribusi pembawa yang dihasilkan foto diperluas karena efek sinergis dari peningkatan antirefleksi dan hamburan cahaya setelah memperkenalkan modifikasi atas yang sesuai. Ini konsisten dengan ^N . yang ditingkatkan J _ph /penahanan cahaya yang ditingkatkan untuk larik yang dimodifikasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b. Selain itu, perluasan distribusi pembawa foto yang dihasilkan bermanfaat untuk koleksi pembawa terutama untuk planar pn konfigurasi persimpangan, dan sementara itu membuat struktur lebih dapat ditoleransi terhadap cacat massal/kualitas material yang buruk. Perlu dicatat bahwa dibandingkan dengan array NW murni, modifikasi atas juga mengarah ke kepadatan pembawa yang sangat meningkat di permukaan, dan pasivasi permukaan diperlukan untuk mengurangi kerugian rekombinasi permukaan pembawa foto yang dihasilkan untuk array tersebut [66, 67].

Distribusi spasial laju pembangkitan pembawa yang dihasilkan foto pada iluminasi AM 1.5G untuk larik (H = 2000 nm dan D = 500 nm) dimodifikasi atas oleh hemiellipsoid (kiri) (h = 500 nm) dan (tengah) hemiellipsoid terbalik (h = 500 nm). Tingkat generasi (kanan) dalam array NW murni H = 2000 nm dan D = 500 nm disajikan untuk perbandingan

Sebagai penyerap cahaya yang sangat baik, perangkap cahaya yang efektif di bawah insiden miring diperlukan. Gambar 5 menunjukkan spektrum serapan pada sudut datang, α = 0, 30 dan 60 derajat (°) untuk (a) hemiellipsoid- dan (b) larik GaAs NW termodifikasi hemiellipsoid terbalik dengan parameter struktural yang sama dengan larik yang ditunjukkan pada Gambar. 4. Sungguh luar biasa bahwa bahkan pada α = 60 °, hanya degradasi terbatas yang dapat diamati, menunjukkan kurungan cahaya omnidirectional yang sangat baik oleh kedua modifikasi. Kerapatan arus foto yang dihitung, J _ph untuk dua larik ini diringkas dalam inset Gambar 5a dan b. Satu catatan yang dibandingkan dengan J _ph dari ~ 27,7 dan 16.0 mA/cm ² untuk penyerap GaAs yang ideal di α = 30° dan 60°, masing-masing, nilai yang sesuai untuk kedua larik NW yang dimodifikasi hanya menunjukkan pengurangan terbatas.

Spektrum serapan a hemiellipsoid- dan b array GaAs NW termodifikasi hemiellipsoid terbalik (H = 2000 nm, D = 500 nm, dan h = 500 nm) pada sudut datang (α ) dari 0, 30, dan 60°. Tabel inset merangkum kerapatan arus foto teoritis (J _ph ) untuk dua larik NW yang dimodifikasi teratas ini masing-masing pada sudut datang yang sesuai

Diketahui bahwa untuk NW yang dibuat secara eksperimental, permukaan biasanya tidak begitu mulus seperti yang diadopsi dalam simulasi. Untuk memeriksa validitas hasil simulasi untuk memandu studi eksperimental, karakteristik optik dari susunan NW GaAs dengan penampang kawat ortoheksagonal disimulasikan dan dibandingkan dengan susunan NW yang sesuai dengan penampang kawat lingkaran. Gambar 6 membandingkan spektrum serapan dua jenis larik ini dengan volume yang sama (ditandai dengan diameter (100, 300, dan 500 nm) lingkaran NWs) dan panjang kawat 2 m dalam rentang spektral 310 nm (4 eV ) hingga 873,2 nm (1,42 eV, yaitu energi celah pita GaAs). Satu catatan bahwa tidak ada perbedaan nyata dari perilaku optik antara dua jenis susunan NW ini dalam rentang spektral yang dipertimbangkan. Oleh karena itu, diyakini bahwa hasil simulasi yang disimpulkan dari susunan NW dengan penampang kawat lingkaran juga berlaku untuk larik lain dengan penampang kawat yang berbeda.

Perbandingan spektrum serapan susunan NW murni GaAs dengan penampang lingkaran dan kawat ortohexagonal. Periode larik dan panjang kawat masing-masing adalah 600 nm dan 2 μm. Volume kabel untuk larik NW yang sesuai adalah sama dan dicirikan oleh diameter (100, 300, dan 500 nm) NW dengan penampang lingkaran

Selain itu, dari pembahasan di atas, terbukti bahwa kombinasi modifikasi atas untuk modulasi spasial indeks bias dan peningkatan hamburan cahaya oleh struktur bawah dengan dimensi karakteristik yang cocok adalah pedoman yang mudah dioperasikan untuk memandu desain peredam cahaya kinerja tinggi.