자체 조립 유전체 미세공동 어레이에 의한 광대역 및 스펙트럼 선택적 광검출 향상을 위한 광 포획 공학

결과 및 토론

ZnO MCA로 장식된 PIN 실리콘 PD의 소자 구조의 단면도와 평면도는 각각 그림 1a와 b에 개략적으로 나와 있습니다. 여기에서 530nm-PS 나노스피어를 템플릿으로 사용할 때 실제 코어 직경이 470nm인 제조된 ZnO MCA는 PIN PD에서 (추가 파일 1:그림 S1)의 실험 세부 정보 및 제조 프로세스를 참조합니다. 그림 1c에 표시된 것처럼 육각형 닫기 팩이 있는 단층 배열로 잘 정렬되어 있습니다. 기판과의 접촉 영역을 제외한 캐비티의 허용 가능한 구형은 그림 1d 및 추가 파일 1:그림 S2a의 단면 및 제목 SEM 이미지에서 잘 인식될 수 있습니다. 매끄러운 내부 표면은 추가 파일 1:그림 S2b에서 볼 수 있듯이 이 광학 공동의 내부 형태에서 시각화할 수 있습니다. 이는 공동 구조에서 공명하는 빛에 당연히 유리할 것입니다. 실제 쉘 두께(T _쉘 ) 캐비티에서 ~ 40nm로 측정되었습니다(추가 파일 1:그림 S2b). 또한 추가 파일 1:그림 S3a와 같이 PIN 기판의 대규모 제작 ZnO MCA 어레이에서 명확한 회절 색상을 볼 수 있습니다. 이는 Bragg's를 만족하는 특정 각도에서 발생한 ZnO MCA 층의 회절 효과에서 비롯됩니다. 방정식 [30]. 캐비티 매개변수(예:직경 및 두께)가 광 파장과 일치할 때 WGM(속삭임 갤러리 모드) 공명이 생성된다는 것은 잘 알려져 있습니다. 따라서 이러한 종류의 MCA 장식 PIN PD에서 누설 모드[30]를 통해 PD의 활성 레이어로의 광 제한 및 결합과 결과적으로 장치의 광 트래핑 향상을 기대할 수 있습니다.

a의 개략도 ZnO MCA는 PIN PD를 장식하고 b PIN 장치의 평면도. ㄷ , d PIN PD에서 제작된 ZnO MCA의 평면 및 단면 SEM 이미지

제작된 ZnO MCA의 광 가둠(light confinement) 및 트래핑 특성을 검증하기 위해 그림 2a 및 b와 같이 단순화된 경우로 사파이어 기판 위의 ZnO MCA에 대한 FDTD 시뮬레이션된 투과 스펙트럼을 먼저 조사하고 실험 결과와 비교했습니다. . 시뮬레이션된 전송 스펙트럼에서 415, 495, 547, 650nm의 파장에서 몇 가지 구별되는 밸리가 잘 분해될 수 있습니다. ZnO의 고유한 밴드 에지 흡수 때문에 파장이 380nm보다 짧은 UV 영역에서는 공명이 나타나지 않았습니다. 의심할 여지 없이 전송 스펙트럼의 이러한 밸리는 ZnO MCA에서 지원되는 일련의 WGM 공명에서 비롯되며 추가 파일 1:그림 S4와 같이 각 공진 피크 아래 해당하는 근거리장 분포 패턴으로 잘 식별될 수 있습니다. 650nm 부근의 2차 WGM 공명에 대한 일반적인 공명 패턴은 그림 2a의 삽입도에 선택적으로 표시되었습니다. 강화된 필드 분포는 누설 모드[31]로 알려진 공동 주변에서 명확하게 해결되었으며 후속적으로 장치의 기본 활성 층으로 방사되는 빛에 유리합니다. 실험적 투과 스펙트럼은 그림 2b와 같이 416, 492, 545 및 637 nm에서 파장 피크의 약간의 이동을 제외하고 해당 공진 파장에서 시뮬레이션된 스펙트럼과 잘 일치합니다. MCA에서 이러한 WGM 공명은 공명 파장 근처에서 투과 스펙트럼에서 계곡으로 나타나는 입사광의 광각 산란[32]을 생성했습니다.

아 이론적 및 b 사파이어 기판에서 MCA의 실험적 투과 스펙트럼. ㄷ , d 베어 실리콘의 MCA와 비교한 실리콘 기판의 MCA의 이론 및 실험 반사 스펙트럼. 이 on-resonance(660nm) 및 off-resonance(840nm) 광 여기에서 MCA 장식이 있거나 없는 실리콘 기판의 흡수 프로파일

ZnO MCA로 장식된 Si 기판에 대한 이러한 산란 효과는 그림 2c와 같이 시뮬레이션된 반사 스펙트럼에 의해 잘 입증될 수 있습니다. 또한, MCA로 장식된 실리콘 기판에서 베어 실리콘과 비교할 때 광대역 반사 방지 효과가 성공적으로 달성되었음을 발견했습니다. ZnO MCA로 장식된 실리콘 기판(그림 2d)에 대한 실험적 반사 스펙트럼은 반사 방지 효과와 이론적인 결과와 유사한 공명 피크를 나타냅니다. 이상적인 구형 구조와 실험적으로 준비된 MCA 내 존재하는 결함. 그러나 이러한 감소된 공진 품질은 단파장 영역(<550nm)에서 반사 방지에 더 도움이 될 수 있으며, 이는 이전 연구에서 입증된 바와 같이 해당 장치의 광대역 광 트래핑에 훨씬 유리할 것입니다[16, 34 ].

베어 실리콘 표면의 반사와 비교하여 MCA로 장식된 실리콘의 이론 및 실험 반사 스펙트럼은 지원되는 일련의 WGM 공진이 누출 모드를 활용하여 빛을 트래핑하는 데 사용할 수 있음을 보여주었습니다. 그러나 흥미롭게도 대부분의 감소된 반사가 공진 피크가 아닌 오프 공진 영역에서 발생했다는 점에 주목할 만합니다. 추가 시뮬레이션은 베어 실리콘과 비교하여 오프 공진 대역(840nm)에서 MCA 코팅된 실리콘 기판에서 강력한 흡수 향상이 성공적으로 실현될 수 있음을 잘 나타냈지만 온 공진에서 훨씬 더 낮은 흡수 프로파일을 얻었습니다. 그림 2e와 같이 조명(660nm)입니다(자세한 시뮬레이션 설정은 추가 파일 1:그림 S5 참조). 이 결과는 WGM 공명, 특히 일부 특정 파장 위치에서 고품질 요소를 사용한 공명이 빛을 다시 산란시킬 수 있다고 추론합니다[35]. 이는 빛 포획 향상에 바람직하지 않습니다. 추가 파일 1에 표시된 추출된 근거리 분포:그림 S6은 또한 공진으로 인해 많은 양의 광 전력이 뒤로 산란되어 활성층의 흡수 프로파일이 감소하는 반면 온-오프 아래의 베어 실리콘과 비교됨을 입증했습니다. 공명 파장 조명.

그런 다음 실리콘 PIN PD에서 빛을 트래핑하는 MCA 레이어의 기능을 장치의 광 응답을 특성화하여 평가했습니다. 그림 3a의 일반적인 I-V 응답에서 볼 수 있듯이 어두운 조건과 밝은 조명 모두에서 제조된 실리콘 PIN PD 장치에서 만족스러운 포토다이오드 특성이 검증되었습니다. 중요한 것은 MCA 장식으로 850nm 광 조명 아래의 유일한 실리콘 PIN PD와 비교하여 PD에서 최대 25%까지 향상된 광 응답을 실현할 수 있다는 것입니다(그림 3b 참조). 그림 3c와 같이 파장 의존적 광응답은 장치에 MCA를 장식한 후 거의 전체 가시광선 및 근적외선(IR) 영역에 걸쳐 광대역 스펙트럼 내에서 극적으로 향상된 광응답을 나타냅니다. 향상 비율이 계산되어 그림 3d에 표시됩니다. 중앙 계곡이 ~ 660nm에 위치한 625 ~695 nm의 파장 영역 내에서만 2차(n =2) 그림 2b의 투과 스펙트럼(공진상 영역)에서 볼 수 있는 WGM 공명(~ 640 nm의 피크 파장). 실리콘 PD에 가장 많이 사용되는 근적외선(IR) 영역(~ 800 ~~ 980 nm) 내에서 최대 ~ 17%까지 분명히 향상된 응답성을 성공적으로 달성했습니다. 우연히도, 이 파장 영역은 위에서 언급한 것처럼 공진이 아닌 영역에 위치합니다. 결과는 그림 2e와 같이 공진이 없는 조명에서는 흡수 향상이 향상될 수 없는 반면 오프 공진 영역에서는 분명히 향상된 흡수가 발생할 수 있는 시뮬레이션 결과와 잘 일치했습니다. 그러나 단파장 영역(<600 nm)의 경우, 광 응답뿐만 아니라 흡수의 상당한 향상이 여전히 얻어질 수 있으며, 이는 그림 1에 제시된 실리콘의 MCA에 대한 놀라운 반사 방지 특성과 잘 일치합니다. . 2d. 위에서 논의한 바와 같이, 이 영역 내의 공동에서 실제로 훨씬 낮은 공진 품질은 온-공진 또는 오프-공진과 독립적인 광대역 광 트래핑의 주요 원인이어야 합니다.

아 어둡고 밝은 조명(850nm LED, 1.2mW cm ⁻² )에서 제작된 실리콘 PIN PD의 전류-전압(IV) 곡선 ). ㄴ 850nm LED 조명 조명과 c에서 전류 응답 비교 MCA 장식이 있거나 없는(제어) 장치의 파장 의존적 광 반응성. 더 짧은 파장 영역(<380nm)의 부분 확대가 삽입도에 표시되었습니다. d c에서 계산된 해당 향상 비율 , 여기서 공명(R _켜기 ) 및 공진 외(R _꺼짐 ) 배경에서 각각 밝은 빨간색과 밝은 녹색으로 표시된 반사 스펙트럼을 참조하는 영역

위의 결과는 WGM 미세공동을 통한 광포집 특성이 공진 품질과 밀접하게 관련되어 있으며, 이는 공동의 매개변수에 의존함을 잘 보여줍니다. 위에서 언급한 향상 메커니즘을 추가로 확인하고 통신 또는 감지를 위해 널리 사용되는 근적외선(IR) 영역 감지와 같은 특정 파장 영역의 장치에서 응답 향상을 조작하기 위해 MCA의 WGM 공진을 제어하여 조절했습니다. 구멍의 크기. 본 연구에서 채택한 쉘 구조 공동의 경우 쉘 층을 두껍게 함으로써 유효 광학 길이를 쉽게 늘릴 수 있다[36]. 그림 4a에서 볼 수 있듯이 쉘 두께를 60nm로 늘리면 MCA의 투과 스펙트럼에서 훨씬 더 많은 공진 모드가 관찰되었습니다. 추가 파일 1:그림 S7과 같이 이론 시뮬레이션을 통해 이러한 공진 모드를 해당 WGM 공진에 할당할 수도 있습니다. 40nm의 쉘 두께에서 MCA와 비교하여(그림 2b), 동일한 공진 모드는 증가된 유효 공동 길이로 인해 이해할 수 있는 적색 편이를 나타냅니다. 그림 4b의 실험적 반사 스펙트럼도 투과 스펙트럼과 잘 일치했습니다. 그림 2d에 표시된 40nm 두께의 MCA에 대한 실험적 반사 스펙트럼과 달리 실제 공명은 더 높은 공명 품질을 나타내는 더 구별 가능합니다. 즉, 후방 산란 효과가 더 강할 수 있고 빛에 유리하지 않을 수 있습니다 트래핑. 파장에 따른 응답도 곡선은 그림 4d에 나와 있습니다. 이 추론에서 특정 파장 영역의 응답성은 향상되고 일부 다른 영역은 감소했습니다. 그림 4d에서 볼 수 있듯이 대부분 강화된 영역은 공진되지 않은 영역에서 일관되게 발생하고 공진하는 영역에 위치한 감소 영역이 감소함을 알 수 있습니다. 또한 쉘 두께가 40nm인 MCA로 장식된 PD(그림 3d 참조)와 비교하여 실리콘 PD의 통신 및 감지에 주로 사용되는 800-980nm 영역 내에서 훨씬 더 높은 응답성 향상이 달성되었습니다. 그림 4d와 같이 820nm의 파장에서 최대 ~ 25% 향상을 달성할 수 있습니다. 이 훨씬 더 강력한 향상은 MCA의 2차 WGM에 대한 더 높은 공명 품질에서 비롯되어야 하며, 이 파장 영역에서 WGM 공명의 누출 모드를 통해 더 높은 빛 트래핑 효과로 이어집니다. 쉘 두께가 40nm인 MCA에 대한 그림 2d의 반사 스펙트럼과 비교할 때 이 파장 영역에서 훨씬 더 낮은 반사 강도는 그림 4b에서 볼 수 있듯이 빛 트래핑과 반응성의 상당한 향상을 잘 설명했습니다. . 또한, 이 향상은 대부분 공진이 아닌 영역에서도 발생했습니다.

아 쉘 두께가 60nm인 사파이어 기판에서 MCA의 실험적 투과 스펙트럼. ㄴ 베어 실리콘 기판과 비교한 실리콘 기판의 MCA 반사 스펙트럼. ㄷ 850nm LED 조명 아래에서 MCA 장식이 있거나 없는(제어) 기기의 광 반응성. d c에서 계산된 해당 향상 비율 . b의 온-레조넌스 및 오프-레조넌스 영역 내의 배경 그리고 d b의 반사 스펙트럼 참조 각각 밝은 빨간색과 밝은 녹색으로 강조 표시되었습니다.

그림 4d(배경은 밝은 빨간색으로 표시됨)와 같이 ~ 640 ~ 710 nm의 공진 영역에 대해 이 공진 모드에 대한 높은 공진 품질에 의해 유도된 후방 산란 효과로 인해 분명히 감소된 응답도가 합리적으로 얻어졌습니다. 위에서 논의한 바와 같이. 쉘 두께가 40 nm인 MCA와 유사하게 단파장 영역(<500nm)에서 여전히 강력한 향상이 실현될 수 있습니다. 그 이유는 훨씬 낮은 공진 품질과 높은 반사 방지 효과 때문일 가능성이 큽니다. 빛 트래핑 엔지니어링에 의한 이러한 향상에 대한 안정성 성능은 1년 동안 주변 공기에 보관된 동일한 장치에 대한 광 응답을 조사하여 추가로 평가되었습니다. 추가 파일 1에서 볼 수 있는 것과 동일한 테스트 조건:그림 S8.