반타원체 및 역 반타원체 수정 반도체 나노와이어 어레이의 우수한 광 제한

결과 및 토론

그림 2는 ^N 요약 제 _ph h의 함수로 H가 있는 반타원체 및 역 반타원체 수정 GaAs NW 어레이용 (a) 1000, (b) 2000, (c) 3000 nm, 그리고 디 100, 300, 500nm 하나는 ^N 제 _ph D가 있는 모든 배열에 대해 h가 증가함에 따라 100nm의 단조롭게 감소합니다. . 그러나 D가 더 큰 배열의 경우 300 및 500nm의 경우, D의 경우를 제외하고 적절한 크기로 상단 수정을 도입한 후 일반적으로 향상된 광 구속이 관찰될 수 있습니다. =300nm 및 H =1000nm. 또한, NW가 두꺼울수록 더 현저한 차광 향상을 실현할 수 있다. 그림 2a에서 볼 수 있듯이 ^N 제 _ph D가 있는 어레이의 경우 유효 두께가 ~ 180 및 270nm에 불과한 역 반타원체 수정의 경우 0.90 및 0.95의 값을 얻을 수 있습니다. =500nm, H =h =1000nm 및 D 어레이 =500nm, H =1000nm 및 h =각각 750nm입니다.

정규화된 이론적인 광전류 밀도( ^N 제 _ph ) 반타원체 높이(h ) a의 다른 총 높이에서 1000, b 2000년 및 c 3000nm 와이어 직경(D )는 100, 300, 500nm입니다. 각 그림의 빨간색 점선과 빨간색 대시선은 ^N 의 값을 나타냅니다. 제 _ph 각각 0.90 및 0.95

반사 방지는 평평한 웨이퍼/필름 대응물과 비교하여 주변 환경(일반적으로 공기)과 광학 구조의 굴절률 차이가 감소하기 때문에 NW 어레이의 고유 기능인 것으로 잘 알려져 있습니다[27, 52]. 그러나 반사 방지는 결과적으로 흡수체를 통한 광 투과의 향상 가능성 때문에 효과적인 광 흡수를 초래하지 않습니다. 이 연구에서 D 100nm nm는 가장 낮은 충전율을 가지며 따라서 가장 작은 유효 굴절률을 갖습니다. 이러한 어레이는 우수한 반사 방지 기능을 나타내지만 특히 장파장 영역(그림 3a 참조), 즉 광자의 고밀도 영역에서 광 투과가 상당히 강합니다. 또한, 그림 3a와 같이 상단 수정은 반사 방지에 거의 기여하지 않지만 광 투과율을 높여 광 흡수를 악화시키고(그림 3b 참조) ^N 의 감소를 초래합니다. 제 _ph 100nm NW 직경 어레이의 경우 또한 주요 광 제한 메커니즘은 HE₁₁ D의 NW 어레이에 대한 누출 모드(그림 3b의 삽입 참조) =100nm[65].

아 반사/전송 및 b H 배열의 흡수 =2000nm 및 D =100nm. ㄷ 반사, d 전송 및 e H 배열의 흡수 =2000nm 및 D =500nm. 에 D가 있는 순수 NW 어레이의 흡수 100, 300, 500nm 및 H =2000나노미터. b 삽입 HE₁₁의 전계 강도 분포를 보여줍니다. 모드이고 흰색 점선 원은 와이어 주변을 설명합니다. f 삽입 H가 있는 순수 NW 어레이의 전기장 강도 분포를 나타냅니다. =2000nm 및 D =810nm의 파장에서 500nm

D가 더 큰 NW 어레이의 경우 300 및 500 nm의 경우 충전율이 증가하여 유효 굴절률이 증가하고 그림 3c와 같이 빛의 반사가 뚜렷해집니다. 이러한 배열의 경우 반타원체와 역 반타원체를 모두 사용하여 적절하게 수정하면 빛의 반사를 크게 줄일 수 있으므로 빛의 흡수가 향상됩니다(그림 3c 및 e 참조). 또한, 광범위한 변형 높이에서 우수한 차광을 달성할 수 있음을 알 수 있어 관련 고성능 소자 제작의 편의성을 제공한다. 예를 들어 그림 2b와 같이 ^N 제 _ph 0.95의 0.95는 500nm 직경의 NW 어레이에 대해 350~2000nm 범위의 역 반타원체 또는 600~2000nm 범위의 반타원체를 사용하여 달성할 수 있습니다. 그러나 과도한 수정(예:h 너무 큼) 특히 역 반타원체를 사용하는 경우 그림 3d 및 e에 표시된 것처럼 밴드갭 에너지 주변에서 광 투과가 크게 향상되고 광 흡수가 감소합니다. 따라서 ^N 의 첫 번째 증가 및 다음 감소 제 _ph 관련된 NW 어레이에서 관찰됩니다(그림 2 참조).

그림 3f는 D가 있는 순수 NW 어레이의 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. 100, 300 및 500nm 및 H 2000nm의 광 흡수 가장자리가 장파장으로 이동하는 동안 주요 광 관리 메커니즘이 D로 누출 모드에서 광산란으로 변경되는 것이 분명합니다. 증가합니다. 또한 D가 있는 NW의 경우 500nm의 경우 800nm ​​부근의 일부 흡수 진동이 관찰될 수 있으며, 이는 그림 3f의 삽입도에서 볼 수 있듯이 유도된 종방향 공진에 기인합니다. D 증가하면 가이드 세로 모드를 형성할 수 있는 임계값/가장 긴 파장도 증가합니다[56, 57]. 장파장 빛의 경우, 와이어 축을 따라 전파할 때 진폭 감쇠는 흡수 계수가 더 작기 때문에 단파장 빛보다 상대적으로 약합니다. 와이어 길이가 너무 길지 않으면 북서쪽 바닥에서 반사된 파동이 들어오는 파동을 방해하여 유도된 세로 공진을 형성할 수 있습니다.

광 관리에 대한 상단 수정의 영향을 더 자세히 이해하려면 어레이에 대한 캐리어 생성 속도의 공간 분포(H =2000nm 및 D =500nm) 반타원체(h)에 의해 수정됨 =500nm) 및 역반사체(h) =500nm) AM 1.5G 조명에서 그림 4에 나와 있습니다. H가 있는 순수 NW 어레이의 해당 분포 그리고 디 비교를 위해 2000 및 500nm도 표시됩니다. 적절한 상단 수정을 도입한 후 향상된 반사 방지 및 광산란의 시너지 효과로 인해 광 생성 캐리어의 분포 영역이 확장되는 것이 분명합니다. 부스트된 ^N 과 일치합니다. 제 _ph /그림 2b에 표시된 것처럼 수정된 어레이에 대한 향상된 광 제한. 또한, 광 생성 캐리어 분포의 확장은 특히 평면 pn의 캐리어 수집에 유리합니다. 접합 구성은 구조를 만드는 동시에 벌크 결함/불량한 재료 품질에 대해 더 견딜 수 있도록 합니다. 순수한 NW 어레이와 비교하여 상단 수정은 또한 표면의 캐리어 밀도를 현저하게 증가시키며 이러한 어레이에 대한 광 생성 캐리어의 표면 재결합 손실을 줄이기 위해 표면 패시베이션이 필요합니다[66, 67].

어레이에 대한 AM 1.5G 조명(H =2000nm 및 D =500nm) (왼쪽) 반타원체(h)에 의해 상단 수정됨 =500 nm) 및 (중간) 역 반타원체(h =500nm). H의 순수 NW 배열의 생성률(오른쪽) =2000nm 및 D =500nm는 비교를 위해 표시됩니다.

우수한 광흡수체로서 비스듬한 입사에서 효과적인 광포집이 필요합니다. 그림 5는 입사각 α에서의 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. =0, 30 및 60도(°) (a) 반타원체 및 (b) 그림 4에 표시된 어레이와 동일한 구조적 매개변수를 갖는 역 반타원체 변형 GaAs NW 어레이. α =60°, 제한된 성능 저하만 관찰 가능하며, 이는 두 가지 수정 모두에 의해 우수한 전방향성 광 제한을 나타냅니다. 계산된 광전류 밀도, J _ph 이 두 어레이의 경우 그림 5a 및 b의 삽입 부분에 요약되어 있습니다. 하나는 J와 비교하여 _ph ~ 27.7 및 16.0mA/cm ² α에서 이상적인 GaAs 흡수체 =30° 및 60°, 수정된 NW 어레이 모두에 대한 해당 값은 제한된 감소만을 보여줍니다.

a의 흡수 스펙트럼 반타원체 및 b 반전된 반타원체 수정 GaAs NW 어레이(H =2000nm, D =500nm 및 h =500nm) 입사각(α)에서 ) 0, 30 및 60°. 삽입된 표는 이론적인 광전류 밀도(J _ph ) 각각 해당 입사각에서 두 개의 상단 수정 NW 어레이에 대해

실험적으로 제작된 NW의 경우 표면은 일반적으로 시뮬레이션에서 채택된 것과 같이 매끄럽지 않은 것으로 알려져 있습니다. 실험 연구를 안내하기 위한 시뮬레이션 결과의 타당성을 확인하기 위해 직교 육각형 와이어 단면을 가진 GaAs NW 어레이의 광학 특성을 시뮬레이션하고 원형 와이어 단면을 가진 해당 NW 어레이의 광학 특성과 비교했습니다. 그림 6은 310nm(4eV)의 스펙트럼 범위에서 동일한 부피(원 NW의 직경(100, 300 및 500nm)로 특성화됨) 및 2μm 와이어 길이를 가진 두 종류의 어레이의 흡수 스펙트럼을 비교합니다. ) ~ 873.2nm(1.42eV, 즉, GaAs의 밴드갭 에너지). 한 사람은 고려된 스펙트럼 범위에서 이러한 두 종류의 NW 어레이 사이에 광학적 거동의 명백한 차이가 없다는 점에 주목합니다. 따라서 원형 와이어 단면을 가진 NW 어레이에서 내린 시뮬레이션 결과는 와이어 단면이 다른 다른 어레이에도 적용할 수 있다고 믿어집니다.

GaAs 순수 NW 어레이의 흡수 스펙트럼과 원 및 직각 육각형 와이어 단면의 비교. 어레이 주기와 와이어 길이는 각각 600nm와 2μm입니다. 해당 NW 어레이의 와이어 볼륨은 동일하며 원형 단면이 있는 NW의 직경(100, 300, 500nm)으로 특성화됩니다.

또한, 위의 논의로부터 굴절률의 공간 변조를 위한 상부 수정과 특성 치수가 일치하는 하부 구조에 의한 향상된 광산란의 조합이 고성능 광흡수체 설계를 안내하기 위해 쉽게 운영되는 지침임이 입증되었습니다.