Absorptivitas Foton Tinggi dari Fotodetektor Inframerah Quantum Dot yang Dicapai oleh Efek Plasmon Permukaan Array Lubang Nano Logam

Hasil dan Diskusi

Berdasarkan desain QDIP di atas, jika insiden cahaya inframerah mengenai bagian atas QDIP ini di z arah sumbu, fotodetektor akan memiliki pantulan dan transmisi cahaya yang datang. Penyerapan fotodetektor dapat ditentukan dengan mempelajari kondisi transmisi optik dari cahaya datang, yang dapat memainkan peran yang sangat penting dalam mengevaluasi kinerja fotodetektor. Gambar 6 menyajikan kondisi pantulan fotodetektor tanpa susunan logam (QDIP konvensional) dan dengan susunan logam (QDIP yang ditingkatkan). Dibandingkan dengan dua kurva pada Gambar. 6, dapat ditemukan bahwa nilai koefisien refleksi QDIP konvensional sedikit lebih kecil daripada QDIP yang ditingkatkan selain nilai individual dalam rentang frekuensi 250~260 Thz dan 279~293 Thz . Secara khusus, dengan mengambil nilai pada frekuensi 219 Thz sebagai contoh, nilai koefisien refleksi QDIP konvensional adalah -3,91 dB, sedangkan QDIP yang ditingkatkan serendah 1,31 dB. Seperti yang telah dikatakan di atas, QDIP yang ditingkatkan dapat memiliki nilai yang sedikit lebih tinggi daripada QDIP konvensional, tetapi dapat ditemukan bahwa penyerapan minimum dari QDIP yang ditingkatkan cukup kecil daripada QDIP konvensional. Untuk lebih spesifiknya, serapan minimum dari QDIP yang ditingkatkan adalah 16.17 dB pada frekuensi 255.10 Thz, sedangkan nilai untuk QDIP konvensional sama dengan 13.42 dB pada 254.86 Thz. Koefisien refleksi rendah dari QDIP yang ditingkatkan dapat dikaitkan dengan koefisien penyerapan logam yang lebih tinggi daripada di semikonduktor untuk cahaya inframerah. Penyerapan dapat dihitung berdasarkan kontribusi umum dari refleksi dan transmisi. Gambar 7 a menggambarkan koefisien transmisi QDIP konvensional dan nilainya yang ditandai dengan warna biru jelas lebih besar daripada QDIP yang ditingkatkan dalam rentang frekuensi total 200~340 Thz. Misalnya, pada frekuensi 298 Thz, koefisien transmisi QDIP yang ditingkatkan hanya 10,83 dB, yaitu 1,60 kali lebih kecil dari QDIP konvensional, yaitu 4,15 dB. Menurut hubungan kompetitif antara transmisi, refleksi dan penyerapan, penurunan koefisien transmisi akan menyebabkan peningkatan penyerapan di bawah kondisi mengabaikan kerugian lain dari cahaya datang.

Koefisien refleksi QDIP konvensional tanpa susunan logam (kurva biru) dan QDIP yang ditingkatkan dengan susunan lubang nano logam (kurva merah)

Koefisien transmisi (a ) dan koefisien absorptivitas (b ) dari QDIP konvensional dan QDIP yang ditingkatkan, masing-masing

Menggabungkan situasi transmisi pada Gambar 7a dengan situasi refleksi pada Gambar 6, absorptivitas QDIP dapat dihitung, yang ditunjukkan pada Gambar 7b. Pada gambar, kurva merah (ditandai sebagai peningkatan 60 nm) menggambarkan absorptivitas QDIP yang ditingkatkan dengan struktur logam, dan kurva biru lainnya mewakili QDIP konvensional tanpa struktur lubang logam (ditandai sebagai konvensional 60 nm). Membuat perbandingan antara kedua kurva, dapat ditemukan bahwa absorptivitas QDIP yang ditingkatkan lebih tinggi daripada QDIP konvensional. Maksimum absorptivitas pada QDIP yang ditingkatkan adalah 0,782 pada frekuensi 286 Thz, yaitu 1,71 kali lebih tinggi dari QDIP konvensional yang hanya 0,458 pada frekuensi 257 Thz. Alasan peningkatan daya serap QDIP yang ditingkatkan dapat dijelaskan sebagai berikut. Struktur susunan lubang nano logam diperkenalkan ke bagian atas QDIP konvensional, dan konfigurasi seperti itu dapat mendukung efek resonansi plasmon permukaan, yang mengarah ke efek sambungan lokal dari cahaya yang datang. Lebih lanjut, efek kopling lokal dapat membuat lebih banyak cahaya masuk ke dalam lapisan titik kuantum semikonduktor di bawah, yang dapat menghasilkan penyerapan tinggi untuk cahaya datang dan memiliki sifat fotolistrik yang lebih baik dengan arus foto yang lebih besar dan efisiensi kuantum yang lebih tinggi.

Untuk lebih memperjelas bahwa bagaimana mewujudkan efek peningkatan plasmon dalam QDIP yang ditingkatkan, kami juga mempelajari pengaruh struktur lubang nano logam yang berbeda pada absorptivitas QDIP yang ditingkatkan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8a, kurva absorptivitas dari QDIP yang ditingkatkan dengan radius lubang nano logam yang berbeda sesuai dengan kurva hitam (50 nm), hijau (55 nm), merah (60 nm), dan biru (65 nm), masing-masing. Nilai absorptivitas dari QDIP yang ditingkatkan mengungkapkan tren perubahan yang berbeda di bawah lubang nano yang berbeda. Nilai puncak absorptivitas untuk QDIP yang ditingkatkan adalah 0,744 (kurva hitam pada 289 Thz), 0,721 (kurva hijau pada 291 Thz), 0,782 (kurva merah pada 286 Thz), dan 0,707 (kurva biru pada 288 Thz), masing-masing. Jelas, di antara fotodetektor ini, QDIP yang ditingkatkan dengan radius lubang 60 nm dapat memiliki kinerja absorptivitas terbaik. Pada saat yang sama, diketahui bahwa ketebalan lapisan lubang logam juga dapat mempengaruhi daya serap. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8b, ketika ketebalan lapisan logam di QDIP yang ditingkatkan diubah dari 10 menjadi 40 nm, nilai puncak dari absorptivitas juga berubah dari 0,667 (263 Thz untuk ketebalan 10-nm) menjadi 0,782 (286 Thz untuk 20 nm), 0,662 (293 Thz untuk 30 nm), dan 0,590 (262 Thz untuk 40 nm). Di antara nilai puncak tersebut, lapisan lubang nano logam dengan ketebalan 20 nm dapat memiliki nilai absorptivitas tertinggi.

Penyerapan QDIP yang ditingkatkan (a ) dengan radius yang berbeda dan ketebalan logam yang berbeda dari lubang nano logam (b)

Untuk memperjelas fenomena di atas, kami mempelajari lebih lanjut kondisi distribusi medan listrik di permukaan atas QDIP yang ditingkatkan dengan radius lubang logam yang berbeda pada 286 Thz. Gambar 9 menunjukkan distribusi medan listrik pada radius yang berbeda dari lubang logam di kisaran 50-65 nm. Dibandingkan empat gambar pada Gambar 9a, jelas bahwa QDIP dengan jari-jari lubang 50 nm (Gbr. 9a) dan 55 nm (Gbr. 9b) dapat memiliki peningkatan medan listrik yang relatif lebih lemah karena distribusi medan listrik yang sesuai di Gambar 9 a dan b terletak di seluruh area termasuk lubang dan daerah yang berdekatan, dan dengan demikian efek kopling lokal medan listriknya dapat diabaikan, sedangkan area kopling lokal medan listrik dengan medan listrik tinggi dapat diamati pada Gambar. .9 c dan d. Distribusi medan listrik yang kuat di sekitar lubang pada Gambar 9c dan d dengan bentuk cincin dapat ditemukan pada antarmuka antara lubang logam dan udara di lubang logam sebagai akibat dari efek kopling permukaan plasmon. Dibandingkan dengan distribusi medan listrik pada Gambar 9c dan d, efek kopling medan listrik pada Gambar 9c lebih kuat daripada pada Gambar 9d sesuai dengan warna yang ditandai yang merupakan campuran merah, hijau, dan biru. Dalam hal ini, warna merah mewakili bidang terkuat, dan warna biru mewakili bidang terlemah. Berdasarkan analisis di atas, lubang nano logam dengan radius 60 nm menghasilkan efek medan listrik peningkatan oleh plasmon permukaan. Untuk lebih memperjelas efek peningkatan, distribusi medan listrik pada xz -bidang yang sesuai dengan penyerapan maksimum QDIP yang dioptimalkan pada frekuensi 286 Thz dalam penelitian kami seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10a, yang terletak pada bagian y =0 (sesuai dengan bidang xz -pesawat). Pada gambar, dari arah z sumbu -, distribusi medan listrik yang ditingkatkan terletak di wilayah antara lubang logam yang berdekatan yang ditandai dengan warna merah dan medan lemah terletak di wilayah lubang logam yang ditandai dengan warna biru. Distribusi medan listrik secara langsung mengungkapkan peningkatan penyerapan QDIP. Ini adalah efek kopling peningkatan yang mengarah pada peningkatan absorptivitas, dan selanjutnya mengarah pada efisiensi kuantum yang tinggi dari QDIP yang ditingkatkan. Tentu saja, kesimpulan yang sama juga dapat ditarik dengan menganalisis distribusi medan magnet menurut sifat-sifat sifat elektromagnetik cahaya. Dikarenakan pembahasan distribusi medan magnet sama dengan pembahasan distribusi medan listrik, maka dalam penelitian ini tidak perlu dibahas.

Distribusi medan listrik dari QDIP yang ditingkatkan dengan radius lubang nano logam yang berbeda:a r =50 nm, b r =55 nm, c r =60 nm, dan d r =65 nm

a x -arah medan listrik dari QDIP yang dioptimalkan. b Polarisasi medan listrik dari QDIP yang ditingkatkan. c Polarisasi medan magnet dari QDIP yang ditingkatkan

Selain itu, seperti yang telah dikatakan di atas, efek peningkatan berasal dari plasmon permukaan, dan mode gelombang plasmon permukaan yang tereksitasi ditentukan lebih lanjut. Gambar 10a dan b menampilkan hasil medan listrik dan magnet. Pada gambar, Gambar 10b menunjukkan distribusi polarisasi medan listrik pada yz -pesawat. Dapat dilihat bahwa medan listrik normal pada yz -pesawat, artinya, medan listrik tidak dapat memiliki E _z komponen. Gambar 10c menyajikan distribusi polarisasi medan magnet. Dapat ditemukan bahwa medan magnet sejajar dengan yz -bidang, artinya, ada komponen Hz dalam arah rambat cahaya datang yaitu z -arah. Oleh karena itu, dalam penelitian kami, gelombang plasmon permukaan yang tereksitasi adalah mode TE. Selanjutnya, untuk memperjelas posisi yang digunakan untuk membangkitkan plasmon permukaan, distribusi medan magnet di dekat antarmuka lubang logam ditunjukkan di bagian atas Gambar 10c. Dapat dilihat medan magnet pada posisi antara lubang logam yang berdekatan lebih kuat dari pada lubang logam. Selain itu, sesuai dengan medan listrik yang muncul pada Gambar 10a, juga dapat membuktikan bahwa medan peningkatan terkonsentrasi pada lokasi antara lubang logam yang berdekatan. Oleh karena itu dapat ditarik kesimpulan bahwa efek plasmon permukaan dapat berasal dari permukaan antara logam dan semikonduktor, yang terletak pada posisi antara lubang logam yang berdekatan. Tentu saja, perlu dicatat bahwa peningkatan penyerapan tidak hanya dari plasmon permukaan tetapi juga dari peningkatan pantulan lapisan logam, yang mengarah pada penyerapan sekunder cahaya datang karena cahaya datang disinari pada QDIP sepanjang sumbu z.

Telah diketahui dengan baik bahwa parameter yang terkait dengan lapisan logam juga dapat memiliki pengaruh besar pada kinerja QDIP. Untuk menentukan parameter yang optimal, ketebalan lapisan penghalang dan lapisan titik kuantum dianalisis lebih lanjut dan dibahas di bawah kondisi ketebalan lapisan logam yang dioptimalkan (20 nm) dan radius lubang logam (60 nm). Gambar 11a menggambarkan tren perubahan absorptivitas fotodetektor dengan ketebalan lapisan penghalang yang berbeda dalam kisaran 70–85 nm. Dari gambar, kurva absorptivitas ini memiliki tren perubahan yang serupa. Ketika ketebalan lapisan penghalang bervariasi dalam kisaran 70~85 nm, nilai absorptivitas maksimum yang sesuai dari QDIP yang ditingkatkan adalah 0,7581 (70 nm, pada 322,78 Thz), 0,7763 (75 nm, pada 304,84 Thz ), 0,8552 (80 nm, pada 292,75 Thz), dan 0,8346 (85 nm, pada 284,17), masing-masing. Dibandingkan dengan nilai absorptivitas maksimum ini, dapat ditemukan bahwa lapisan penghalang dengan ketebalan 80 nm dapat memiliki kinerja absorptivitas terbaik untuk QDIP yang ditingkatkan. Memperbaiki parameter lain dengan nilai yang dioptimalkan di atas, pengaruh ketebalan lapisan titik kuantum pada kinerja absorptivitas untuk QDIP yang ditingkatkan dipelajari lebih lanjut, dan kurva yang sesuai ditunjukkan pada Gambar. 11b. Dari gambar tersebut dapat diketahui bahwa kurva merah dapat memiliki nilai absorptivitas maksimum sebesar 0,8647 pada frekuensi 295,48 Thz untuk QDIP yang ditingkatkan dengan ketebalan lapisan 7 nm, yang menggambarkan bahwa fotodetektor dapat memiliki keadaan transisi yang optimal.

Penyerapan QDIP yang ditingkatkan dengan ketebalan a . yang berbeda lapisan titik kuantum dan b lapisan penghalang

Berdasarkan pembahasan di atas, jelas bahwa tidak hanya parameter yang terkait dengan QDIP yang dapat mempengaruhi kinerja perangkat, tetapi juga ketebalan lapisan quantum dot dan lapisan penghalang juga dapat menentukan kinerja perangkat. Dalam penelitian ini, sesuai dengan hasil perhitungan teoritis, parameter yang dioptimalkan untuk peningkatan QDIP dapat diberikan dengan ketebalan lapisan logam 20 nm, radius lubang logam 60 nm, ketebalan lapisan titik kuantum 7 nm dan lapisan penghalang. ketebalan 80 nm. Penyerapan fotodetektor yang optimal dapat mencapai 0,8647. Selain itu, membandingkan QDIP konvensional dengan QDIP yang dioptimalkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 12, nilai absorptivitas di kurva merah cukup tinggi daripada di kurva biru selain nilai dalam rentang frekuensi 222,91~262,18 Thz. Penyerapan maksimum pada kurva merah sama dengan 0,8647 pada frekuensi 295,48 Thz, yaitu 1,89 kali lebih besar dari pada kurva biru (yang sama dengan kurva sebelumnya yang ditandai “60 nm konvensional” pada Gambar 7b sesuai dengan QDIP tanpa susunan lubang logam) pada frekuensi 257 Thz. Pergeseran frekuensi untuk puncak absorptivitas maksimum terutama dihasilkan dari perubahan ketebalan fotodetektor yang ditingkatkan. Furthermore, based on the optimized parameters of the QDIPs, the thicknesses of the quantum dot layer and the barrier layer, the quantum efficiency value and the responsivity of the photodetector are calculated out.

Absorptivity of the conventional QDIP in blue curve and improved QDIP in red curve with the barrier layer thickness of 80 nm

Quantum Efficiency and Responsivity of the QDIP

Based on the calculated results of the absorptivity in Fig. 12 as well as combining with the expression of the quantum efficiency and the responsivity of the QDIP above, the quantum efficiency of the QDIP and the responsivity can be calculated out, and the corresponding results are plotted in Fig. 13 a and b. Figure 13a depicts the quantum efficiency of the QDIP. In this figure, the blue dotted curve represents the quantum efficiency of the QDIP without metal array, the other red full curve is that of the optimized QDIP with metal array. Making a comparison between the two curves, it can be observed that the maximum quantum efficiency of the optimized QDIP is 0.2961 at the frequency of 295.87 Thz, and it is 1.205 times than that of the conventional QDIP, which is equal to 0.2458 at the frequency of 256.48 Thz. The increasing trend is similar to the absorptivity provided in Fig. 12 which results from the introduction of the metal hole array and the optimization of the quantum dot infrared photodetector. Based on the increasing trends for the absorptivity, we can find that the responsivity of the QDIP also reveals similar increasing trends. To be specific, Fig. 13b gives the responsivity of the optimized QDIP and the conventional QDIP, respectively. In the figure, the red curve is on behalf of the responsivity of the conventional QDIP, and the blue curve stands for that of the optimized QDIP with the metal holes layer. Similar to the analysis in Fig. 13a, the responsivity is 0.0326 mA/W at the frequency of 295.87 Thz, which is 0.0174 larger than that of the conventional QDIP at the frequency of 256.48 Thz (which is 0.0152). The increase in the responsivity can be proven in the other frequency band in the range of 229.57~254.41 Thz, which obviously demonstrates the enhancement in the performance of the photodetector due to the introduction of the metal hole array and the optimization of the quantum dot regions. Moreover, the reasons for the enhancement were detailedly discussed in detail analyzing the electric field distribution of quantum dot regions above.

a Quantum efficiency of QDIP. b Responsivity of QDIP

Influence of the Electrodes and the Substrate

What was studied above is all under the condition of ignoring the influence of the electrodes and the substrate; in fact, the electrodes and the substrate can have certain influences on the performance, but they do not influence the description of the enhancement effects of the performance of the optimized QDIP with the metal layer. This is because the electrodes and the substrate can have almost the same influence on the absorption of the QDIP with the metal layer and without the metal layer. To illustrate the issue adequately, we recalculated the absorption of the QDIP considering the influence resulting from the substrate and the electrodes as well as the quantum efficiency, the responsivity, and so on. To be concrete, it is well known that the electrodes are generally designed at the two ends of the absorption region of the quantum dots, and thus, as shown in Fig. 14a, one is at the top of the conventional QDIP and the other is at the bottom end of the absorption region of the QDIP. That is to say, it lies at the top of the substrate, which can provide the quantum dot absorption region with the bias voltage and transmit current together with the electrodes said above. Here, it is worth mentioning that there is the metal hole array instead of the metal ring in the optimized QDIP in our study used as the electrodes. The other electrode is similar to that of conventional QDIP. Based on the above design, a concrete distribution of the electrodes is clearly calculated in Fig. 14a. Similar to Fig. 14a, in Fig. 14 b, the material of the electrodes is chosen as gold, and the substrate is chosen as AlGaAs; their thicknesses are 20 nm and 300 nm, respectively.

a Conventional QDIP with electrodes and substrate. b Optimized QDIP with the electrodes and substrate

Based on the introduction of electrodes and substrate in the structure of the QDIP above, we calculated the absorption of the QDIPs, and the corresponding results are compared with the QDIP without the electrodes and the substrate. Figure 15 demonstrates the influence of the electrodes and substrate on the absorptivity of the QDIP. In the figure, the blue curve and the pink curve are the absorptivity of the conventional QDIP without the electrodes and the substrate and that of the optimized QDIP without the electrodes and the substrate, respectively. The red dashed curve represents the absorptivity of the optimized QDIP with the electrodes and the substrate. Its maximum absorption is 0.7620 at the frequency of 304.35 Thz which is just 0.1027 smaller than that of the optimized QDIP without electrodes and substrate. The decrease of the absorptivity is degraded from the loss of the electrodes and the substrate, the same as the green curve with the absorptivity of the conventional QDIP with the electrodes and substrate. Compared with the absorptivity of the conventional QDIP and optimized QDIP with electrodes and substrate, the enhancement is very clear in the absorptivity of the optimized QDIP with electrodes and substrate, which is the same as the optimized QDIP in Fig. 12. In other words, though the electrodes and the substrate can result in the decrease of the absorptivity, the total absorptivity of the optimized QDIP can be enhanced compared with that of bare QDIP, and thus, the decrease can be negligible as they can have a very small influence on the description of the enhancement of the optimized QDIP when using the metal hole array.

Absorption of the QDIP with electrodes and substrate

In addition, it can be observed that the change trend of the absorptivity of the QDIP with the electrodes and substrate cannot be the same as the previous curves (corresponding to the blue curve and pink curve). They are more complex with many peak values. The reasons for this phenomenon can be explained as follows. First of all, the addition of the electrodes and the substrate can produce more or less a loss and the frequency shifts due to the accumulated heating effect and the other negative influence factors. Secondly, since the material of the electrodes is chosen as the metal, in the optimized QDIP with the electrodes and the substrate, it can result in enhanced reflection and enhanced surface plasmon. The two reasons commonly favor the enhancement of the absorptivity as demonstrated in Fig. 15.