Rekayasa Light-Trapping untuk Peningkatan Broadband dan Fotodeteksi Selektif Spektra dengan Rakitan Mikrokavitas Dielektrik Dielektrik yang Dirakit Sendiri

Hasil dan Diskusi

Penampang melintang dan tampilan atas dari struktur perangkat dalam PD silikon PIN yang didekorasi dengan MCA ZnO masing-masing ditunjukkan pada Gambar 1a dan b. Di sini, MCA ZnO sebagai fabrikasi dengan diameter inti aktual 470 nm saat menggunakan nanosfer 530-nm-PS sebagai template, mengacu pada detail eksperimental dan proses fabrikasi di (File tambahan 1:Gambar S1), pada PIN PD tertata dengan baik dalam susunan monolayer dengan close-pack heksagonal seperti yang ditampilkan pada Gambar. 1c. Bentuk bulat yang dapat diterima dari rongga kecuali untuk area kontak dengan substrat dapat dikenali dengan baik pada gambar SEM penampang dan berjudul pada Gambar 1d dan File tambahan 1:Gambar S2a. Permukaan bagian dalam yang halus juga dapat divisualisasikan dalam morfologi internal rongga optik ini seperti yang terlihat pada File tambahan 1:Gambar S2b, yang dapat dimengerti bermanfaat untuk resonansi cahaya dalam struktur rongga. Ketebalan cangkang sebenarnya (T _kulit ) di rongga diukur menjadi ~ 40 nm (File tambahan 1:Gambar S2b). Selain itu, warna difraksi yang jelas dapat dilihat pada susunan ZnO MCA fabrikasi skala besar pada substrat PIN seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S3a, yang berasal dari efek difraksi lapisan MCA ZnO yang terjadi pada sudut tertentu yang memenuhi standar Bragg. persamaan [30]. Diakui dengan baik bahwa ketika parameter rongga (misalnya, diameter dan ketebalan) cocok dengan panjang gelombang cahaya, resonansi mode galeri bisikan (WGM) akan dihasilkan. Oleh karena itu, dalam jenis PD PIN yang didekorasi dengan MCA ini, pengurungan cahaya dan penyambungan ke lapisan aktif PD melalui mode bocor [30] dan peningkatan penangkap cahaya konsekuen pada perangkat dapat diharapkan.

Ilustrasi skema dari a ZnO MCA mendekorasi PIN PD dan b tampilan atas perangkat PIN. c , d Gambar SEM planar dan penampang melintang dari MCA ZnO yang dibuat pada PIN PD

Untuk memverifikasi sifat pengurungan cahaya dan perangkap dari MCA ZnO yang dibuat, spektrum transmisi simulasi FDTD untuk MCA ZnO pada substrat safir sebagai kasing yang disederhanakan pertama-tama diperiksa dan dibandingkan dengan hasil eksperimen, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a dan b . Beberapa lembah yang berbeda dapat diselesaikan dengan baik pada panjang gelombang 415, 495, 547, dan 650 nm dalam spektrum transmisi yang disimulasikan. Karena penyerapan ZnO tepi pita intrinsik, tidak ada resonansi yang muncul di wilayah UV di mana panjang gelombang lebih pendek dari 380 nm. Tidak diragukan lagi, lembah dalam spektrum transmisi ini berasal dari rangkaian resonansi WGM yang didukung di MCA ZnO dan dapat diidentifikasi dengan baik melalui pola distribusi medan dekat yang sesuai di bawah setiap puncak resonansi, seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S4. Pola resonansi khas untuk orde kedua resonansi WGM di dekat 650 nm secara selektif ditunjukkan pada sisipan Gambar. 2a. Distribusi medan intensif jelas diselesaikan di sekitar rongga, yang dikenal sebagai mode bocor [31] dan selanjutnya akan menguntungkan bagi cahaya yang memancar ke lapisan aktif yang mendasari perangkat. Spektrum transmisi eksperimental sesuai dengan yang disimulasikan pada panjang gelombang resonansi yang sesuai kecuali untuk sedikit pergeseran puncak panjang gelombang pada 416, 492, 545, dan 637 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Resonansi WGM di MCA ini menghasilkan hamburan sudut lebar [32] dari cahaya yang datang, menunjukkan sebagai lembah dalam spektrum transmisi di dekat panjang gelombang resonansi.

a Teoretis dan b spektrum transmisi eksperimental MCA pada substrat safir. c , d Spektrum refleksi teoritis dan eksperimental dari MCA pada substrat silikon dibandingkan dengan pada silikon telanjang. e Profil penyerapan dalam substrat silikon dengan dan tanpa dekorasi MCA di bawah eksitasi cahaya on-resonance (660 nm) dan off-resonance (840 nm)

Efek hamburan pada substrat Si yang didekorasi dengan MCA ZnO ini juga dapat dibuktikan dengan baik oleh spektrum refleksi yang disimulasikan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c, di mana rangkaian puncak dapat ditemukan yang cocok dengan lembah resonansi yang ditunjukkan dalam spektrum transmisi [33]. Selain itu, ditemukan bahwa efek anti-refleksi broadband berhasil dicapai pada substrat silikon yang didekorasi dengan MCA jika dibandingkan dengan silikon telanjang. Spektrum refleksi eksperimental pada substrat silikon yang didekorasi ZnO MCA (Gbr. 2d) juga menunjukkan efek anti-refleksi dan puncak resonansi yang serupa dengan hasil teoretis, kecuali untuk kualitas resonansi (Q) yang jauh lebih rendah yang mungkin disebabkan oleh non- struktur bola ideal dan cacat yang ada dalam MCA yang disiapkan secara eksperimental. Namun, penurunan kualitas resonansi ini mungkin lebih kondusif untuk anti-refleksi di wilayah panjang gelombang pendek (< 550 nm), yang akan sangat bermanfaat untuk perangkap cahaya broadband pada perangkat yang sesuai sebagaimana dibuktikan dalam pekerjaan sebelumnya [16, 34 ].

Dengan membandingkan refleksi dari permukaan silikon telanjang, baik spektrum refleksi teoritis dan eksperimental dari silikon yang didekorasi dengan MCA dengan baik menunjukkan bahwa rangkaian resonansi WGM yang didukung dapat digunakan untuk perangkap cahaya dengan memanfaatkan mode bocor. Namun, yang menarik, perlu dicatat bahwa sebagian besar penurunan refleksi terjadi di wilayah off-resonance daripada puncak on-resonance. Simulasi lebih lanjut dengan baik menunjukkan bahwa peningkatan penyerapan yang kuat dapat berhasil diwujudkan dalam substrat silikon berlapis MCA di bawah pita off-resonansi (840 nm) dibandingkan dengan pada silikon telanjang, sementara profil penyerapan yang jauh lebih rendah diperoleh di bawah on-resonansi. iluminasi (660 nm), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2e (penyiapan simulasi mendetail ditunjukkan di File tambahan 1:Gambar S5). Hasil ini menyimpulkan bahwa resonansi WGM, terutama resonansi dengan faktor kualitas tinggi di beberapa posisi panjang gelombang khusus, mungkin juga menyebarkan cahaya kembali [35], yang tidak menguntungkan untuk peningkatan perangkap cahaya. Distribusi dekat-file yang diekstraksi yang ditunjukkan dalam File tambahan 1:Gambar S6 juga membuktikan bahwa sejumlah besar daya optik dihamburkan kembali karena resonansi, yang mengarah pada penurunan profil penyerapan di lapisan aktif saat membandingkan dengan silikon telanjang di bawah on- iluminasi panjang gelombang resonansi.

Fungsionalitas lapisan MCA penjebak cahaya pada PD PIN silikon kemudian dievaluasi dengan mengkarakterisasi respons foto perangkat. Seperti yang ditunjukkan pada respons IV khas pada Gambar. 3a, karakteristik fotodioda yang memuaskan telah diverifikasi dalam perangkat PIN PD silikon yang dibuat sebagai di bawah kondisi gelap dan pencahayaan terang. Secara signifikan, dengan dekorasi MCA, respons foto yang ditingkatkan hingga ~ 25% dapat direalisasikan pada PD yang dibandingkan dengan satu-satunya PD PIN silikon di bawah penerangan cahaya 850 nm (seperti yang terlihat pada Gambar. 3b). Responsivitas foto yang bergantung pada panjang gelombang seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c menyajikan respons foto yang ditingkatkan secara dramatis dalam spektrum broadband hampir di seluruh wilayah yang terlihat dan inframerah-dekat (IR) setelah mendekorasi MCA pada perangkat. Rasio peningkatan dihitung dan ditunjukkan pada Gambar. 3d. Dapat dilihat bahwa hanya dalam wilayah panjang gelombang dari 625 sampai 695 nm dengan lembah pusat terletak di ~ 660 nm tidak ada peningkatan, yang hanya cocok dengan orde kedua (n = 2) Resonansi WGM (panjang gelombang puncak pada ~ 640 nm) seperti yang terlihat pada spektrum transmisi (wilayah resonansi) pada Gambar. 2b. Sementara dalam wilayah inframerah-dekat (IR) yang paling banyak digunakan (~ 800 hingga ~ 980 nm) untuk PD silikon, jelas peningkatan responsivitas hingga ~ 17% berhasil dicapai. Secara kebetulan, wilayah panjang gelombang ini juga terletak di wilayah off-resonansi seperti yang disebutkan di atas. Hasilnya sangat konsisten dengan hasil simulasi di mana peningkatan penyerapan tidak dapat ditingkatkan di bawah iluminasi resonansi sementara jelas peningkatan penyerapan dapat terjadi di wilayah resonansi tidak aktif, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2e. Namun, untuk wilayah panjang gelombang pendek (< 600 nm), peningkatan signifikan dalam penyerapan, serta respons foto, masih dapat diperoleh, yang sangat cocok dengan sifat anti-pantulan yang luar biasa untuk MCA pada silikon yang disajikan pada Gambar . 2d. Seperti yang dibahas di atas, kualitas resonansi yang sangat rendah sebenarnya di rongga di wilayah ini seharusnya menjadi alasan utama untuk perangkap cahaya broadband yang tidak bergantung pada resonansi aktif atau nonresonansi.

a Kurva tegangan-arus (IV) untuk PD PIN silikon fabrikasi di bawah pencahayaan gelap dan terang (LED 850 nm, 1,2 mW cm ⁻² ). b Perbandingan respons saat ini di bawah penerangan lampu LED 850 nm dan c responsivitas foto yang bergantung pada panjang gelombang di perangkat dengan dan tanpa dekorasi (kontrol) MCA. Pembesaran parsial di wilayah panjang gelombang yang lebih pendek (< 380 nm) ditunjukkan di sisipan. d Rasio peningkatan yang sesuai dihitung dari c , di mana resonansi (R _pada ) dan tidak beresonansi (R _nonaktif ) wilayah yang mengacu pada spektrum pantulan yang ditandai masing-masing sebagai merah muda dan hijau muda di latar belakang

Hasil di atas dengan baik menunjukkan bahwa sifat penangkap cahaya melalui rongga mikro WGM sangat terkait dengan kualitas resonansi, yang bergantung pada parameter rongga. Untuk memverifikasi lebih lanjut mekanisme peningkatan yang disebutkan di atas dan memanipulasi peningkatan responsivitas pada perangkat di wilayah panjang gelombang tertentu, seperti deteksi wilayah inframerah-dekat (IR) yang banyak digunakan untuk komunikasi atau penginderaan, resonansi WGM di MCA diatur dengan mengontrol ukuran rongga. Untuk rongga struktur cangkang yang diadopsi dalam pekerjaan ini, panjang optik efektif dapat dengan mudah ditingkatkan dengan menebalkan lapisan cangkang [36]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, dengan meningkatkan ketebalan cangkang hingga 60 nm, lebih banyak mode resonansi yang diamati dalam spektrum transmisi MCA. Mode resonansi ini juga dapat ditetapkan ke resonansi WGM yang sesuai melalui simulasi teoretis, seperti yang ditunjukkan dalam File tambahan 1:Gambar S7. Dibandingkan dengan MCA dalam ketebalan cangkang 40 nm (Gbr. 2b), mode resonansi yang sama menunjukkan pergeseran merah yang dapat dimengerti karena peningkatan panjang rongga efektif. Spektrum refleksi eksperimental pada Gambar. 4b juga cocok dengan spektrum transmisi. Berbeda dari spektrum refleksi eksperimental untuk MCA dengan ketebalan cangkang 40 nm yang ditunjukkan pada Gambar 2d, resonansi sebenarnya lebih dapat dibedakan yang menunjukkan kualitas resonansi yang lebih tinggi, yang berarti bahwa efek hamburan balik mungkin lebih kuat dan tidak mendukung cahaya. penangkapan. Kurva responsivitas yang bergantung pada panjang gelombang ditunjukkan pada Gambar. 4d dengan baik menunjukkan kesimpulan ini, di mana responsivitas di wilayah panjang gelombang tertentu telah ditingkatkan sementara beberapa wilayah lain diturunkan. Dari Gambar 4d, dapat dicatat bahwa sebagian besar daerah yang ditingkatkan secara konsisten terjadi di daerah yang tidak beresonansi sedangkan daerah yang berkurang terletak di daerah yang beresonansi. Selain itu, dibandingkan dengan PD berhias MCA dengan ketebalan cangkang 40 nm (ditunjukkan pada Gambar. 3d), peningkatan responsivitas yang jauh lebih tinggi dicapai dalam wilayah 800–980 nm, yang sebagian besar digunakan dalam komunikasi dan penginderaan untuk PD silikon. Peningkatan hingga ~ 25% dapat dicapai pada panjang gelombang 820 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4d. Peningkatan yang jauh lebih kuat ini seharusnya berasal dari kualitas resonansi yang lebih tinggi untuk WGM orde kedua dari MCA, yang mengarah ke efek perangkap cahaya yang lebih tinggi melalui mode bocor resonansi WGM di wilayah panjang gelombang ini. Intensitas reflektansi yang jauh lebih rendah di wilayah panjang gelombang ini menjelaskan dengan baik peningkatan signifikan dalam perangkap cahaya, serta responsivitas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b saat membandingkan dengan spektrum pantulan pada Gambar 2d untuk MCA dengan ketebalan cangkang 40 nm . Selain itu, peningkatan ini juga sebagian besar terjadi di wilayah off-resonance.

a Spektrum transmisi eksperimental MCA pada substrat safir dengan ketebalan cangkang 60 nm. b Spektrum refleksi yang sesuai dari MCA pada substrat silikon, dibandingkan dengan substrat silikon telanjang. c Responsivitas foto di perangkat dengan atau tanpa (kontrol) dekorasi MCA di bawah penerangan lampu LED 850 nm. d Rasio peningkatan yang sesuai dihitung dari c . Latar belakang dalam wilayah on-resonansi dan off-resonansi di b dan d mengacu pada spektrum refleksi di b disorot dalam warna merah muda dan hijau muda, masing-masing

Sementara untuk wilayah resonansi-on dari ~ 640 hingga 710 nm seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4d (latar belakang ditandai sebagai merah muda), jelas-jelas penurunan respons diperoleh secara wajar karena efek hamburan balik yang disebabkan oleh kualitas resonansi tinggi untuk mode resonansi ini, seperti yang dibahas di atas. Serupa dengan MCA dengan ketebalan cangkang 40 nm, peningkatan kuat masih dapat diwujudkan di wilayah panjang gelombang pendek (< 500 nm) kemungkinan besar karena kualitas resonansi yang jauh lebih rendah dan efek anti-refleksi yang lebih tinggi. Performa stabilitas untuk peningkatan ini oleh teknik penangkap cahaya juga telah dievaluasi lebih lanjut dengan memeriksa respons foto untuk perangkat yang sama yang disimpan di udara sekitar selama 1 tahun, yang menunjukkan hampir tidak ada penurunan respons saat ini dibandingkan dengan kontrol di bawah kondisi pengujian yang sama, seperti yang terlihat di File tambahan 1:Gambar S8.