금속 나노홀 어레이의 표면 플라스몬 효과로 얻은 양자점 적외선 광검출기의 높은 광자 흡수율

초록

소규모 광검출기 장치에 대한 수요가 증가함에 따라 양자점 기반 적외선 광검출기는 지난 수십 년 동안 점점 더 많은 관심을 받았습니다. 본 연구에서는 양자점 적외선 광검출기에 주기적인 금속 나노홀 어레이 구조를 도입하여 기존 광검출기에 존재하는 낮은 광흡수 효율의 병목 현상을 극복하기 위해 표면 플라즈몬 향상 효과를 통해 광자 흡수 성능을 향상시켰다. 결과는 최적화된 금속 나노홀 어레이 구조가 특정 광검출기에서 최대 86.47%까지 광자 흡수율을 크게 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. 이는 금속 어레이 구조가 없는 기존 광검출기보다 1.89배입니다. 흡수율의 큰 향상은 금속 나노홀 어레이 구조로 인한 국소 결합 표면 플라즈몬 효과에 기인할 수 있습니다. 이 연구가 고성능 나노크기 양자점 기반 적외선 광검출기에 대한 특정 이론적 지침을 제공할 수 있다고 믿어집니다.

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배경

반도체 적외선 광검출기는 적외선을 감지하는 데 사용할 수 있으며 과학 연구, 디지털 이미징, 광통신 및 군사 분야 분야에서 유망한 응용 가능성이 높습니다. 현재까지 양자점 적외선 광검출기(QDIP)는 뛰어난 광 응답 특성과 장치 소형화 경향으로 인해 최근 몇 년 동안 주목을 받고 있습니다[1,2,3]. 수십 년 동안 과학자들은 고성능 QDIP를 얻기 위한 기술 개발에서 큰 진전을 이루었지만 장치 소형화[4]와 실제 요구 사항의 문제를 해결하기 위해서는 여전히 추가 개선이 필요합니다. 양자점 기반 활성 영역에 금속 격자를 결합하는 것은 QDIP[5, 6]의 성능을 향상시키는 효과적인 접근 방식으로 간주될 수 있으며, 이는 플라즈몬 강화의 국부적 광결합에 의해 높은 광흡수 계수를 생성할 수 있습니다. 효과.

보고서에 따르면 QDIP의 성능을 향상시키는 데 사용되는 두 가지 주요 금속 격자 구조가 있습니다. 하나는 금속 홀 어레이 구조이고 다른 하나는 홀이 없는 금속 어레이 구조이다. 보다 구체적으로, 금속 정공 배열 구조의 응용 측면에서 Chang의 그룹은 2007년 QDIP에서 금속 정공 주기 배열과 양자점 층을 결합하여 광검출기의 초정상 광 투과율을 이끌었습니다[7]. 2009년 Lee et al. 금속 광결정을 3.6μm 주기의 홀 어레이(100nm 두께)와 통합하여 고검출 QDIP를 위한 방법을 제안했습니다[8]. 연구 결과는 이 방법이 11.3μm의 파장에서 광검출기의 피크 응답을 실현할 수 있고 금속 광결정이 없는 경우보다 최대 30배 향상된 검출성을 얻을 수 있음을 보여줍니다. 그런 다음 입사광에 대한 QDIP 의존성 성능과 초점면 어레이에서의 적용에 대해 논의했습니다[9, 10]. 유사한 성능 향상은 구멍 금속 배열 결합 격자를 사용하여 보고서에서도 찾을 수 있습니다[11,12,13,14]. 구멍이 없는 금속 배열 구조도 제안됩니다. 2011년 Huang과 그의 동료들은 QDIP의 넓은 스펙트럼 응답을 향상시키기 위해 자기 조직화된 플라즈몬 은 나노 입자 층을 사용하여 2.4~3.3배 향상을 얻었다[15]. 2014년 Chen의 그룹은 Au 나노입자의 근거리장 효과를 통해 광검출기의 성능을 향상시킬 수 있다고 보고했습니다[16]. 2015년 Ding의 그룹과 Wang의 그룹은 각각 도파관 결합 구조와 분산형 프라하 반사체의 단일 공진 공동[17, 18]을 제안했습니다. 위에서 언급한 구조 외에도 안테나 스트립 어레이 및 나노 디스크 어레이와 같은 다른 금속 구조도 논의되고 분석되었습니다[19,20,21].

그러나 이러한 no-hole 어레이 방법도 QDIP의 광 응답에서 향상된 효과를 나타낼 수 있지만 비용 효율적이고 간단한 방법을 사용한 제조 공정은 일반적인 구멍 어레이 구조에 비해 여전히 과제로 남아 있습니다. 일반적인 홀 어레이 구조의 경우 홀 어레이의 크기는 마이크로스케일에서 일반적입니다. 광 응답 향상은 미세 금속 구멍의 공기와 아래 반도체 사이의 계면에서 플라즈몬 효과를 통해 이루어집니다. 금속 홀 어레이 크기는 해당 향상 효과가 있는 고성능 QDIP를 실현할 수 있는지 여부에 관계없이 나노 스케일 QDIP에서 양자점의 크기와 일치하는 예상되는 나노 스케일로 더 줄일 수 있습니다. 동시에 이러한 현상의 기저에 깔린 메커니즘을 설명하기 위해서는 더 많은 이론적 연구가 필요합니다. 본 연구에서는 이러한 현상을 명확히 하기 위해 나노크기의 금속정공 어레이 구조를 갖는 양자점을 설계하였으며, 기존의 마이크로 규모의 양자점에 비해 더욱 중요한 것은 광전송 조건과 전계 분포를 분석하여 향상 효과를 설명하였다. . 결과는 나노크기 금속 어레이 구조를 갖는 QDIP가 광자-양자점 상호작용 및 효율적인 광 결합으로 인해 최대 86.47%의 광자 흡수율을 가질 수 있음을 입증하며, 이는 나노크기 적외선의 설계 및 최적화에 대한 문을 열 수 있습니다. 광검출기.

나노홀 어레이가 있는 QDIP의 설계 모델

일반적으로 QDIP는 양자점 영역과 전극으로 구성되며, 양자점 영역은 주기 양자점층과 배리어층으로 구성된다. 이상적인 조건(전극과 기판의 영향 무시)에서 전체 QDIP의 광 전송은 양자점 영역의 광 전송과 동일하다고 가정할 수 있습니다. 따라서 전극과 기판은 QDIP 설계에 나타날 필요가 없습니다. 구체적으로, 그림 1a는 5주기 양자점 복합층으로 구성된 일반적인 QDIP의 설계를 보여주며, 이러한 복합층은 AlGaAs 장벽층과 주기적 양자점을 포함하는 GaAs층으로 구성됩니다(그림 1a). 1b). 현재 구성에서 양자점 나노입자는 많은 원자와 분자로 이루어진 양자점의 정의에 부합하는 입방체 형태로 가정하고 있으며, 길이 40 nm, 너비 40 nm, 폭 7~9 높이가 nm. 보고된 문헌[22]에서도 유사한 양자점 모델을 찾을 수 있습니다. QDIP의 면적은 1000 nm × 1000 nm로 설정하고 AlGaAs 장벽층의 두께는 60 nm이다. Au로 선택된 금속 나노홀 어레이는 기존 QDIP의 기존 양자점 나노구조층 위에 위치하며, 이를 개선된 QDIP로 명명하였다(Fig. 2). 정공의 반경은 50~70 nm 범위에서 조절할 수 있다. . 퀀텀닷을 구성하는 물질은 단순히 특정 굴절률을 가진 벌크 물질로 볼 수 없다는 점에 주목한다. 그림 3은 Edward D. Palik[23]의 방법을 사용하여 양자점을 형성하는 데 사용된 GaAs 물질의 전기적 분산 특성을 나타냅니다. 그림에서 파란색 곡선과 빨간색 곡선은 GaAs ε의 유전상수를 나타냅니다. ^′ 그리고 ε ^″ , 각각. 그림 4a와 b는 GaAs, Al_0.3의 전기적 분산 특성을 보여줍니다. Ga_0.7 소재와 골드 소재로 각각.

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아 일반적인 양자점 적외선 광검출기의 구조 모델 다이어그램. ㄴ 5주기 양자점 복합 레이어가 있는 활성 영역의 양자점 분포. 이 복합 층은 AlGaAs 장벽 층과 GaAs 층으로 구성됩니다.

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개선된 QDIP를 위한 주기적인 금속 나노홀 어레이 구조를 갖는 양자점 활성 영역

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GaAs 물질의 분산 관계

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아 AlGaAs 물질의 분산 관계. ㄴ Au 물질의 분산 관계

YEE 셀 기반 계산 방법

설계된 위의 물리적 모델을 기반으로 유한 요소 적분 방법을 사용하여 광 전송 조건을 계산합니다. 먼저 YEE 셀을 기반으로 위의 모델을 만족하는 Maxwell 적분방정식을 다음과 같이 작성한다.

$$ {\oint}_LE\cdot dl=-\frac{\partial }{\partial t}{\int}_SB\cdot dS $$ (1) $$ {\oint}_LH\cdot dl=J+\frac {\partial }{\partial t}{\int}_SD\cdot dS $$ (2) $$ {\oint}_SD\cdot dS=q $$ (3) $$ {\oint}_SB\cdot dS=0 $$ (4)

우리의 계산에서 Eq. 1-4는 이산화됩니다. 전기장 노드와 자기장 노드의 분포는 모두 "Yee 셀" 형식으로 선택됩니다. 식을 사용하여 도 1을 예로 들면 광검출기의 전자기 모델은 "Yee cell"의 축적으로 볼 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 임의의 셀의 네 변은 Eq.에 해당한다. 1, 전기장 벡터 e를 나타냄 _나 ,e _j ,e _ㅋ , 및 e _나 . 법선 방향에 위치한 벡터는 자기장 벡터 b _n , 따라서 이전 Eq. 1은 다음 식과 같이 다시 쓸 수 있습니다. 5.

$$ {e}_i+{e}_j-{e}_k-{e}_l=-\frac{db_n}{dt} $$ (5) <그림>

"YEE 셀"의 개략도

유사한 방법을 채택하여 전체 광검출기의 전자기 모델 방정식은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

$$ \left[\begin{array}{l}..\dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \\ {}1\kern0.5em 1\kern0.5em -1\kern0.5em - 1\\ {}.\dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \\ {}.\dots \dots \dots \dots \dots \dots \dots \end{배열}\right]\left[ \begin{array}{l}{e}_i\\ {}{e}_j\\ {}{e}_k\\ {}{e}_l\end{array}\right]=-\frac{d }{dt}\left[\begin{array}{l}.\\ {}{b}_n\\ {}.\\ {}.\end{array}\right] $$ (6)

방정식 2는 다음과 같이 다시 쓸 수도 있습니다.

$$ Ce=-\overset{.}{b} $$ (7)

유사한 방법에 따라 다른 Eqs. 2 ~ 4는 다음과 같이 이산화될 수 있습니다.

$$ \overset{\sim }{C}h=\overset{.}{d}+j $$ (8) $$ sb=0 $$ (9) $$ \overset{\sim }{S}d =q $$ (10)

이산화된 Eq를 결합합니다. 7-10 경계 조건에서 전기장과 자기장은 반복적인 방법으로 풀 수 있습니다. 본 연구에서는 기존의 QDIP 위에 금속 홀 어레이 구조를 배치함으로써 브래그 산란을 통한 광 결합을 용이하게 할 수 있다. 해당하는 광통신이 추가로 계산되며, 이는 투과, 반사 및 흡수 조건이 주어질 때 다음 섹션에서 논의할 수 있습니다. 또한, 흡수와 양자 효율의 관계를 기반으로 QDIP의 응답성을 부여할 수 있습니다. 구체적으로, 매우 중요한 성능 매개변수인 QDIP의 응답도는 광전류와 입사광의 세기의 비율로 계산할 수 있는 것으로 잘 알려져 있음[24]. 따라서 다음과 같이 작성할 수 있습니다.

$$ R=\frac{I_{photo}}{P_o}=g\frac{\eta e}{hv} $$ (11)

나 _사진 QDIP의 광전류, P 입사광의 힘, g 는 광전도 이득, e 전자의 전하, h 플랑크 상수, v 는 입사광의 주파수이고, η 양자 효율입니다.

양자 효율은 전자 정공 수와 입사광 수의 비율로 정의할 수 있으며, 이는 광검출기의 흡수에 크게 의존합니다. 실제로 입사광은 흡수영역을 직접 비추기 때문에 상부접촉층이나 금속층의 반사로 인해 완전히 흡수되지 않는다[25, 26]. 따라서 QDIP의 양자 효율은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

$$ \eta =\left(1-r\right)\left[\exp \left(-{\alpha}_0d\right)\right]\left[1-\exp \left(-{\alpha}_0W \right)\right] $$ (12)

여기서 α ₀ 와 QDIP의 흡수 계수, α ₀ d 입사 접촉층의 흡수 계수, r 각각 인시던트 레이어의 반사입니다.

QDIP에서 광전도 이득은 확장된 상태에서 다시 양자점으로 전자의 재결합 시간 비율로 정의할 수 있습니다. τ _인생 장치 τ를 통한 전자의 이동 시간 _총계 , 그리고 다음과 같이 표시될 수 있습니다.

$$ g=\frac{\tau_{수명}}{\tau_{총}} $$ (13)

양자점 복합층의 한 주기에 걸친 전이 시간이 확장된 상태에서 다시 양자점으로의 재결합 시간보다 상당히 짧은 조건에서 [22, 27]_, 이득은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

$$ g=\frac{\left(K+1\right) L\mu E{\left[1+{\left(\mu E/{v}_s\right)}^2\right]}^{ \hbox{-} 1/2}}{\mathrm{K}\pi {a}_{QD}^2{h}_{QD}^2{\sum}_{QD}{V}_{\ 수학{t}}} $$ (14)

여기서 K 숫자는 양자점 복합층, L 양자점 층 사이의 거리, μ 전자의 이동성, E QDIP에 걸친 전계 밀도, v _s 전자의 포화 속도, h _QD 는 양자점의 높이, ∑_QD 각 양자점 층의 양자점 밀도, a _QD 는 양자점의 측면 크기이고 V _t 는 각각 전자의 포획률입니다.

제출된 Eq. (12) 및 식. (14) 식으로 (11), 다음과 같이 표시될 수 있는 QDIP의 응답성을 얻을 수 있습니다.

$$ R==\frac{\lambda \left(K+1\right) L\mu E{\left[1+{\left(\mu E/{v}_s\right)}^2\right] }^{\hbox{-} 1/2}\left(1-r\right)\exp \left(-{\alpha}_0d\right)\left[1-\exp \left(-{\alpha} _0W\right)\right]}{1.24\mathrm{K}\pi {a}_{QD}^2{h}_{QD}^2{\sum}_{QD}{V}_{\mathrm {t}}} $$ (15)

결과 및 토론

위의 QDIP 설계에 따라 입사 적외선이 z에서 이러한 QDIP의 상단에 닿으면 -축 방향, 광검출기는 입사광의 반사 및 투과를 갖습니다. 광검출기의 흡수율은 이러한 입사광의 광 투과 조건을 연구하여 결정할 수 있으며, 이는 광검출기의 성능을 평가하는 데 매우 중요한 역할을 할 수 있습니다. 그림 6은 금속 어레이가 없는 광검출기(기존 QDIP)와 금속 어레이가 있는 광검출기(개선된 QDIP)의 반사 조건을 나타냅니다. 그림 6의 두 곡선과 비교하면 250~260 Thz 및 279~293 Thz의 주파수 범위에서 개별 값 외에 기존 QDIP의 반사 계수 값이 개선된 QDIP의 반사 계수 값보다 약간 작은 것을 알 수 있습니다. . 구체적으로, 219 Thz 주파수에서의 값을 예로 들면 기존 QDIP의 반사 계수 값은 -3.91 dB인 반면 개선된 QDIP는 -1.31 dB만큼 낮습니다. 상술한 바와 같이 개선된 QDIP는 기존의 QDIP보다 약간 더 높은 값을 가질 수 있지만, 개선된 QDIP의 최소 흡수는 기존의 QDIP보다 상당히 작은 것을 알 수 있다. 구체적으로, 개선된 QDIP의 최소 흡수는 주파수 255.10 Thz에서 -16.17 dB인 반면, 기존 QDIP의 값은 254.86 Thz에서 -13.42 dB와 같습니다. 개선된 QDIP의 낮은 반사계수는 적외선용 반도체보다 금속의 흡수계수가 높기 때문일 수 있다. 흡수는 반사와 투과의 공통 기여를 기반으로 계산할 수 있습니다. 그림 7a는 기존 QDIP의 투과율을 나타내며, 파란색으로 표시된 값은 200~340 Thz의 전체 주파수 범위 내에서 개선된 QDIP보다 분명히 큰 값을 나타냅니다. 예를 들어, 298 Thz의 주파수에서 개선된 QDIP의 전송 계수는 -10.83 dB에 불과하며 이는 -4.15 dB인 기존 QDIP보다 1.60배 작습니다. 투과, 반사 및 흡수 사이의 경쟁 관계에 따라 투과 계수의 감소는 입사광의 다른 손실을 무시하는 조건에서 흡수의 증가로 이어집니다.

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금속 어레이가 없는 기존 QDIP(파란색 곡선) 및 금속 나노홀 어레이가 있는 개선된 QDIP(빨간색 곡선)의 반사 계수

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투과 계수(a ) 및 흡수 계수(b ) 기존 QDIP 및 개선된 QDIP 각각

그림 7a의 전송 상황과 그림 6의 반사 상황을 결합하여 QDIP의 흡수율을 계산할 수 있으며 이는 그림 7b에 나와 있습니다. 그림에서 빨간색 곡선(60 nm 개선으로 표시)은 금속 구조가 있는 개선된 QDIP의 흡수율을 나타내고 다른 파란색 곡선은 금속 구멍 구조가 없는 기존 QDIP(60 nm 기존으로 표시)를 나타냅니다. 두 곡선을 비교해보면 개선된 QDIP의 흡수율이 기존의 QDIP보다 높은 것을 알 수 있다. 개선된 QDIP의 최대 흡수율은 주파수 286 Thz에서 0.782로 기존 QDIP의 1.71배, 주파수 257 Thz에서 0.458에 불과하다. 개선된 QDIP의 흡수율이 증가한 이유는 다음과 같이 설명할 수 있다. 기존의 QDIP 상부에 금속 나노홀 어레이 구조를 도입하여 표면 플라즈몬 공명 효과에 유리하여 입사광의 국부 결합 효과를 유도할 수 있다. 또한, 국소 결합 효과는 더 많은 입사광이 아래의 반도체 양자점 층으로 들어가게 할 수 있어 입사광에 대한 높은 흡수를 초래할 수 있고 더 큰 광전류 및 더 높은 양자 효율로 더 나은 광전 특성을 가질 수 있습니다.

개선된 QDIP에서 플라즈몬 향상 효과를 실현하는 방법을 더 명확히 하기 위해 개선된 QDIP의 흡수율에 대한 다양한 금속 나노홀 구조의 영향도 연구합니다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 금속 나노홀 반경이 다른 개선된 QDIP의 흡수율 곡선은 각각 흑색(50 nm), 녹색(55 nm), 적색(60 nm) 및 청색(65 nm) 곡선에 해당한다. 개선된 QDIP의 흡수율 값은 다른 나노홀에서 다른 변화 경향을 나타냅니다. 개선된 QDIP에 대한 흡수율의 피크 값은 각각 0.744(289 Thz에서 검은색 곡선), 0.721(291 Thz에서 녹색 곡선), 0.782(286 Thz에서 빨간색 곡선) 및 0.707(Thzz에서 파란색 곡선)입니다. 분명히 이러한 광검출기 중에서 구멍 반경이 60 nm인 개선된 QDIP가 최고의 흡수 성능을 가질 수 있습니다. 동시에 금속 홀층의 두께도 흡수율의 영향을 받을 수 있다는 것은 잘 알려져 있습니다. 그림 8b에서 볼 수 있듯이, 개선된 QDIP에서 금속층의 두께가 10에서 40 nm로 변경되면 흡수율의 피크 값이 이에 따라 0.667(10nm 두께의 경우 263 Thz)에서 0.782(286 20 nm의 경우 Thz), 0.662(30 nm의 경우 293 Thz) 및 0.590(40 nm의 경우 262 Thz)입니다. 이러한 피크 값 중 20 nm 두께의 금속 나노홀 층이 가장 높은 흡수율 값을 가질 수 있습니다.

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개선된 QDIP의 흡수성(a ) 금속 나노홀(b)의 다른 반지름과 다른 금속 두께

위의 현상을 명확하게 하기 위해 286 Thz에서 금속 구멍의 반지름이 다른 개선된 QDIP의 상단 표면에서 전기장의 분포 조건을 추가로 연구합니다. 그림 9는 50–65 nm 범위의 다양한 금속 구멍 반경에서 전계 분포를 보여줍니다. 그림 9a의 4개의 사진을 비교하면 50 nm(그림 9a) 및 55 nm(그림 9b)의 구멍 반경을 가진 QDIP가 해당 전기장 분포로 인해 상대적으로 약한 전기장 향상을 가질 수 있음이 분명합니다. 그림 9a와 b는 홀과 그 인접 영역을 포함하는 전체 영역에 위치하므로 전기장 국부 결합 효과를 무시할 수 있는 반면, 높은 전기장을 갖는 전기장의 국부 결합 면적은 그림 4에서 관찰할 수 있다. 9 c 및 d. 표면 플라즈몬 결합 효과의 결과로 금속 구멍과 금속 구멍의 공기 사이의 경계면에 링 모양의 그림 9c 및 d의 구멍 주위에 강한 전기장 분포가 위치할 수 있습니다. 그림 9c 및 d의 전기장 분포와 비교하여 빨간색, 녹색 및 파란색이 혼합된 표시 색상에 따라 그림 9c의 전기장 결합 효과가 그림 9d의 전기장 결합 효과보다 더 강력합니다. 이와 관련하여 빨간색은 가장 강한 필드를 나타내고 파란색은 가장 약한 필드를 나타냅니다. 위의 분석을 바탕으로 반경 60 nm의 금속 나노홀은 표면 플라즈몬에 의한 강화 전계 효과를 발생시킨다. 강화 효과를 더욱 명확하게 하기 위해 xz의 전계 분포 - y 섹션에 있는 그림 10a와 같이 우리 연구에서 286 THz의 주파수에서 최적화된 QDIP의 최대 흡수에 해당하는 평면 =0(xz 필드에 해당 -비행기). 그림에서 z 방향에서 -축에서 강화된 전기장 분포는 인접한 금속 구멍 사이의 영역에 빨간색으로 표시되고 약한 필드는 파란색으로 표시되는 금속 구멍 영역에 있습니다. 전기장 분포는 QDIP의 향상된 흡수를 직접 나타냅니다. 이는 흡수율의 증가로 이어지는 향상 결합 효과이며, 나아가 개선된 QDIP의 높은 양자 효율로 이어진다. 물론 빛의 전자기적 특성에 따른 자기장 분포를 분석하여도 같은 결론을 내릴 수 있다. 자기장 분포에 대한 논의는 전기장 분포와 동일하므로 본 연구에서는 논의할 필요가 없다.

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금속 나노홀의 반경이 다른 개선된 QDIP의 전기장 분포:a r =50 nm, b r =55 nm, c r =60 nm 및 d r =65 nm

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아 x -최적화된 QDIP의 방향 전기장. ㄴ 개선된 QDIP의 전기장 분극. ㄷ 개선된 QDIP의 자기장 분극

또한, 앞서 말한 바와 같이 강화 효과는 표면 플라즈몬에서 비롯되며 여기 표면 플라즈몬 파동의 모드가 더 결정됩니다. 그림 10a와 b는 전기장과 자기장 결과를 보여줍니다. 그림에서, Fig. 10b는 yz에 대한 전기장의 분극 분포를 나타냅니다. -비행기. 전기장은 yz에 수직임을 알 수 있습니다. -평면, 즉 전기장은 E를 가질 수 없습니다. _z 요소. 그림 10c는 자기장의 분극 분포를 나타냅니다. 자기장이 yz와 평행함을 알 수 있습니다. -평면, 즉 z인 입사광의 전파 방향에 Hz 성분이 있습니다. -방향. 따라서 우리 연구에서 여기된 표면 플라즈몬 파동은 TE 모드입니다. 또한 표면 플라즈몬을 여기하는 데 사용되는 위치를 명확히 하기 위해 금속 구멍 경계면 근처의 자기장 분포가 그림 10c의 상단에 표시되어 있습니다. 인접한 금속 구멍 사이의 위치에서 자기장이 금속 구멍보다 더 강함을 알 수 있습니다. 또한, 도 10a에 나타난 전기장에 따르면, 강화 전기장이 인접한 금속 홀 사이의 위치에 집중되어 있음을 증명할 수도 있다. 따라서 표면 플라즈몬 효과는 인접한 금속 구멍 사이의 위치에 있는 금속과 반도체 사이의 표면에서 발생할 수 있다는 결론을 내릴 수 있습니다. 물론 흡수의 향상은 표면 플라즈몬뿐만 아니라 금속층의 향상된 반사에 의한 것으로 입사광이 QDIP에 조사되기 때문에 입사광의 2차 흡수로 이어진다는 점은 주목할 가치가 있습니다. Z축.

금속층과 관련된 매개변수도 QDIP의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다는 것은 잘 알려져 있습니다. 최적의 매개변수를 결정하기 위해 최적화된 금속층 두께(20 nm)와 금속 홀 반경(60 nm)의 조건에서 배리어층과 양자점층의 두께를 추가로 분석하고 논의합니다. 그림 11a는 70–85 nm 범위에서 장벽 층의 두께가 다른 광검출기의 흡수율 변화 추세를 보여줍니다. 이미지에서 이러한 흡수율 곡선은 유사한 변화 추세를 보입니다. 차단층의 두께가 70~85 nm 범위에서 다양할 때 개선된 QDIP의 해당 최대 흡수율 값은 0.7581(70 nm, at 322.78 Thz), 0.7763(75 nm, at 304.85 )입니다. nm, 292.75 Thz에서) 및 0.8346(85 nm, 284.17에서). 이러한 최대 흡수율 값과 비교하여 80 nm 두께의 차단막이 향상된 QDIP에 대해 최고의 흡수 성능을 가질 수 있음을 알 수 있습니다. 위의 최적화된 값으로 다른 매개변수를 고정하고 개선된 QDIP에 대한 흡수 성능에 대한 양자점 층 두께의 영향을 더 연구하고 해당 곡선을 그림 11b에 표시합니다. 그림에서 빨간색 곡선은 7 nm의 층 두께로 개선된 QDIP에 대해 주파수 295.48 Thz에서 최대 0.8647의 흡수율 값을 가질 수 있음을 알 수 있으며, 이는 광검출기가 최적의 전이 상태를 가질 수 있음을 보여줍니다.

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a의 다양한 두께로 개선된 QDIP의 흡수율 양자점 레이어 및 b 장벽층

위의 논의를 바탕으로, QDIP와 관련된 매개변수가 소자 성능에 영향을 미칠 수 있을 뿐만 아니라 양자점 층과 장벽 층의 두께도 소자 성능을 결정할 수 있음이 분명합니다. 본 연구에서는 이론적 계산 결과에 따라 금속층 두께 20 nm, 금속 홀 반경 60 nm, 양자점 층 두께 7 nm 및 배리어층으로 개선된 QDIP에 대한 최적화된 매개변수를 제공할 수 있습니다. 80 nm의 두께. 최적의 광검출기의 흡수율은 0.8647만큼 높을 수 있습니다. 또한, Fig. 12와 같이 기존의 QDIP와 최적화된 QDIP를 비교하면 222.91~262.18 Thz의 주파수 범위 값 외에 빨간색 곡선의 흡수율 값이 파란색 곡선의 흡수율 값보다 상당히 높습니다. 빨간색 곡선의 최대 흡수율은 295.48 Thz의 주파수에서 0.8647과 같으며, 이는 파란색 곡선보다 1.89배 더 큽니다(이는 그림 7b에서 "60 nm 기존"으로 표시된 이전 곡선과 동일합니다. 금속 구멍 어레이가 없는 QDIP) 257 Thz의 주파수에서. 최대 흡수율 피크에 대한 주파수 이동은 주로 개선된 광검출기의 두께 변화로 인해 발생합니다. 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.

아 Quantum efficiency of QDIP. ㄴ 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.

아 Conventional QDIP with electrodes and substrate. ㄴ 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.

결론

In conclusion, the conventional QDIP performance can be greatly improved by adding the nanoscale metal nanohole array, and the enhanced mechanism of the performance for improved QDIPs is discussed by analyzing the reflection, the transmission, the absorption, and the distribution of the electric field. The results not only demonstrate that the improved QDIPs can have higher absorptivity than that of conventional QDIPs but also indicate that the parameters of the improved QDIPs related to the metal nanohole array together with the quantum dot composite layer can significantly influence their performance. According to theoretical calculation, the optimized parameters of the improved photodetectors are 20 nm in metal layer thickness, 60 nm in metal hole radius, 7 nm in quantum dot layer thickness, and 80 nm in barrier layer thickness. The maximum absorptivity value of the optimized photodetector can be as high as 86.47% at the frequency of ~ 300 Thz. The great enhancement of the absorptivity can be attributed to the local coupling effect caused by the enhancement of the electric field effect via the surface plasmon, and further leads to the high quantum efficiency and responsivity, which are 0.2961 and 0.0326 mA/W, respectively. It is believed that the current contribution could provide certain theoretical guidance for developing nanoscale QDIPs with high performance.