Ingénierie de piégeage de la lumière pour l'amélioration de la photodétection à large bande et à spectre sélectif par des réseaux de microcavités diélectriques auto-assemblés

Introduction

Les photodétecteurs (PD) sont très demandés pour améliorer la réactivité, ce qui est pratiquement important pour ses applications commerciales, telles que la communication optique, la détection et l'imagerie dans notre vie quotidienne. Il est bien connu que l'extinction du matériau dans la région active des dispositifs doit être suffisamment élevée pour permettre une absorption efficace de la lumière et la génération de photoporteurs [1]. Par conséquent, l'application d'une technologie avancée de piégeage de la lumière a été considérée comme l'approche la plus importante pour réaliser la photodétection efficace dans divers PD à large bande [2]. De plus, les nouvelles demandes de sensibilité spectrale sélective réglable ou de détection à bandes multiples dans le domaine de la photodétection nécessitent également de développer de nouvelles méthodes de manipulation de la lumière [3,4,5,6,7,8,9].

Diverses stratégies de capture optique ont été développées et utilisées dans les dispositifs optiques, par exemple, les interfaces à texture aléatoire [10] ou les nanostructures tridimensionnelles (3D) [11,12,13,14] pour l'amélioration de la sensibilité en utilisant pleinement la grande surface à -rapport de volume et longueur de Debye. Parmi ces nanostructures 3D piégeant la lumière, la cavité optique résonante à faible Q a été considérée comme le moyen le plus attrayant pour manipuler la lumière dans une large bande à travers les multiples modes de résonance [15,16,17,18,19,20,21,22, 23]. Le principe principal est que les résonances en mode galerie de chuchotement (WGM) dans la sphère peuvent améliorer les interactions lumière-matière dans la cavité [16, 19, 23] ou coupler la lumière dans le substrat de la sous-couche via le mode guide d'ondes [ 17, 20]. Par conséquent, une efficacité de conversion photoélectrique ou une photo-réponse améliorée peut être réalisée dans les dispositifs optoélectroniques correspondants [24, 25]. Ce concept de piégeage de la lumière dans les cellules solaires à couche mince en utilisant des nanosphères diélectriques résonantes à l'échelle de la longueur d'onde a été proposé par Grandidier et al. dans le but d'améliorer l'absorption de la lumière dans la couche active et davantage le photocourant dans le dispositif [15]. En outre, une absorption de lumière et une efficacité de conversion de puissance significativement améliorées ont été bien démontrées par Cui et al. [16]. Les nanosphères creuses diélectriques auto-assemblées, englobant plusieurs résonances WGM à faible Q dans la région de la lumière visible, ont également été démontrées pour un piégeage efficace de la lumière et une amélioration de la densité de courant de court-circuit sur les cellules solaires à couche mince dans nos travaux précédents [17]. Théoriquement, différent de la technologie de film optique conventionnellement utilisée, ce type de résonances multiples devrait être possible pour l'application dans les PD vers la manipulation de longueur d'onde spécifique ou l'amélioration du piégeage de la lumière à large bande, mais qui n'a pas encore été étudié.

Dans ce travail, les réseaux de microcavités diélectriques (MCA) nanostructurés 3D ont été introduits pour l'ingénierie de piégeage de la lumière dans une région spectrale à large bande et spécifique sur les PD à base de silicium. Ici, le semi-conducteur à large bande interdite ZnO a été sélectionné comme matériau de cavité, qui peut être facilement préparé par diverses méthodes physiques ou chimiques [26,27,28]. La cavité sphérique creuse de ZnO a été fabriquée en utilisant les réseaux de nanosphères PS auto-assemblés comme modèle combiné avec le dépôt physique et le recuit thermique comme indiqué dans nos travaux précédents [29]. L'important piégeage de la lumière à large bande a été caractérisé dans les cavités ZnO optimisées, ce qui s'est avéré provenir des résonances WGM par le calcul théorique. Par conséquent, une amélioration de la photodétection à large bande a été obtenue dans les PD décorés de ZnO MCA. Pendant ce temps, en raison des multiples résonances WGM, en particulier des modes de fuite dans le MCA, la densité optique locale et l'absorption efficace dans une région de longueur d'onde spécifique ont été favorisées dans la couche active des PD en silicium. Par conséquent, outre l'amélioration de la sensibilité à large bande, une augmentation de la photosensibilité allant jusqu'à 25 % dans une région de longueur d'onde spécifique (800-940  nm) sous le biais de 0 V a été obtenue avec succès. L'utilisation de l'absorption améliorée par WGM pour la gestion de la lumière dans les PD démontrée dans ce travail ouvre la porte à diverses applications dans d'autres dispositifs optoélectroniques, tels que le photovoltaïque efficace et les diodes électroluminescentes (DEL).

Résultats et discussion

Les vues en coupe et de dessus de la structure de l'appareil dans le PD en silicium PIN décoré de ZnO MCA sont représentées schématiquement sur les figures 1a et b, respectivement. Ici, les MCA ZnO tels que fabriqués avec le diamètre de noyau réel de 470 nm lors de l'utilisation des nanosphères de 530 nm-PS comme modèle, se référant aux détails expérimentaux et aux processus de fabrication dans (Fichier supplémentaire 1 :Figure S1), sur les PIN PD sont bien ordonnés dans l'arrangement monocouche avec un pack compact hexagonal comme le montre la Fig. 1c. La forme sphérique acceptable des cavités, à l'exception de la zone de contact avec le substrat, peut être bien reconnue dans les images SEM en coupe transversale et intitulées de la figure 1d et du fichier supplémentaire 1 :figure S2a. La surface interne lisse peut également être visualisée dans la morphologie interne de cette cavité optique, comme le montre le fichier supplémentaire 1 :Figure S2b, ce qui serait naturellement bénéfique pour la lumière résonnant dans la structure de la cavité. L'épaisseur réelle de la coque (T _coquille ) dans la cavité a été mesurée à ~ 40 nm (Fichier supplémentaire 1 :Figure S2b). De plus, une couleur de diffraction claire peut être observée sur les matrices ZnO MCA fabriquées à grande échelle sur un substrat PIN, comme indiqué dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S3a, qui provient de l'effet de diffraction de la couche ZnO MCA qui s'est produit aux angles spécifiques satisfaisant le Bragg équation [30]. Il est bien connu que lorsque les paramètres de la cavité (par exemple, le diamètre et l'épaisseur) correspondent à la longueur d'onde de la lumière, les résonances en mode galerie de chuchotement (WGM) seraient générées. Par conséquent, dans ce type de PIN PD décorés par MCA, le confinement de la lumière et le couplage dans la couche active de PD via les modes de fuite [30] et l'amélioration conséquente du piégeage de la lumière dans les dispositifs peuvent être attendus.

Illustration schématique de a les MCA ZnO décorés des PIN PD et b la vue de dessus du périphérique PIN. c , d Les images SEM planes et transversales des MCA ZnO tels que fabriqués sur le PIN PD

Afin de vérifier les propriétés de confinement et de piégeage de la lumière des MCA de ZnO fabriqués, le spectre de transmission FDTD simulé pour les MCA de ZnO sur le substrat de saphir comme un cas simplifié a d'abord été examiné et comparé aux résultats expérimentaux, comme le montrent les Fig. 2a et b . Plusieurs vallées distinctes peuvent être bien résolues aux longueurs d'onde de 415, 495, 547 et 650 nm dans le spectre de transmission simulé. En raison de l'absorption intrinsèque du bord de bande du ZnO, aucune résonance n'est apparue dans la région UV où la longueur d'onde est inférieure à 380 nm. Sans aucun doute, ces vallées dans le spectre de transmission proviennent de la série de résonances WGM prises en charge dans les MCA ZnO et peuvent être bien identifiées par leurs modèles de distribution en champ proche correspondants sous chaque pic de résonance, comme indiqué dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S4. Le modèle de résonance typique pour le second ordre de résonance WGM près de 650 nm a été sélectivement montré dans l'encart de la figure 2a. Une distribution de champ intensifiée a été clairement résolue autour de la cavité, ce qui est connu sous le nom de mode de fuite [31] et serait par la suite favorable à la lumière rayonnant dans la couche active sous-jacente des dispositifs. Le spectre de transmission expérimental concorde bien avec celui simulé aux longueurs d'onde de résonance correspondantes, à l'exception d'un petit décalage des pics de longueur d'onde à 416, 492, 545 et 637  nm, comme le montre la figure 2b. Ces résonances WGM dans les MCA ont produit une diffusion à grand angle [32] de la lumière incidente, se présentant comme une vallée dans les spectres de transmission près de la longueur d'onde de résonance.

un Théorique et b spectres de transmission expérimentaux des MCA sur le substrat de saphir. c , d Spectres de réflexion théoriques et expérimentaux des MCA sur des substrats de silicium comparés à ceux du silicium nu. e Le profil d'absorption dans le substrat de silicium avec et sans décoration MCA sous les excitations lumineuses en résonance (660 nm) et hors résonance (840 nm)

Cet effet de diffusion sur le substrat de Si décoré de ZnO MCA peut également être bien mis en évidence par le spectre de réflexion simulé, comme le montre la figure 2c, où des séries de pics peuvent être trouvées qui correspondent bien aux vallées de résonance montrées dans les spectres de transmission [33]. De plus, il a été découvert qu'un effet antireflet à large bande était obtenu avec succès sur le substrat de silicium décoré par MCA par rapport au silicium nu. Le spectre de réflexion expérimental sur un substrat de silicium décoré de ZnO MCA (Fig. 2d) montre également un effet anti-reflet et des pics de résonance similaires aux résultats théoriques, à l'exception d'une qualité de résonance (Q) beaucoup plus faible qui pourrait être causée par le non- structure sphérique idéale et les défauts existants dans les MCA préparés expérimentalement. Cependant, cette qualité de résonance réduite pourrait être davantage propice à l'anti-reflet dans la région des courtes longueurs d'onde (< 550 nm), ce qui serait très bénéfique pour le piégeage de la lumière à large bande sur les dispositifs correspondants, comme en témoignent les travaux précédents [16, 34 ].

Comparés à la réflexion de la surface nue du silicium, les spectres de réflexion théoriques et expérimentaux du silicium décoré par MCA ont bien démontré que la série de résonances WGM prise en charge peut être utilisée pour piéger la lumière en utilisant les modes de fuite. Cependant, il est intéressant de noter que la réflexion principalement diminuée s'est produite dans la région hors résonance plutôt que dans les pics en résonance. Une simulation supplémentaire a bien indiqué que la forte amélioration de l'absorption peut être réalisée avec succès dans le substrat de silicium recouvert de MCA sous la bande hors résonance (840 nm) par rapport à celle sur le silicium nu, tandis qu'un profil d'absorption beaucoup plus faible a été obtenu sous la résonance sur l'éclairage (660 nm), comme le montre la figure 2e (la configuration détaillée de la simulation a été présentée dans le fichier supplémentaire 1 :figure S5). Ce résultat implique que la résonance WGM, en particulier la résonance avec un facteur de haute qualité dans certaines positions de longueur d'onde spéciales, pourrait également diffuser la lumière en arrière [35], ce qui est défavorable à l'amélioration du piégeage de la lumière. La distribution extraite presque classée montrée dans le fichier supplémentaire 1 :la figure S6 a également mis en évidence qu'une grande quantité de puissance optique était rétrodiffusée en raison de la résonance, ce qui a entraîné une diminution du profil d'absorption dans la couche active tout en comparant avec le silicium nu sous l'on- éclairage de longueur d'onde de résonance.

La fonctionnalité de la couche MCA piégeant la lumière sur les PIN PD en silicium a ensuite été évaluée en caractérisant la photo-réponse des dispositifs. Comme le montre la réponse I-V typique de la figure 3a, une caractéristique de photodiode satisfaisante a été vérifiée dans les dispositifs PIN PD en silicium tels que fabriqués dans des conditions d'obscurité et d'éclairage lumineux. De manière significative, avec la décoration des MCA, une photo-réponse améliorée jusqu'à ~  25% peut être réalisée sur les PD par rapport à celle des seuls PD PIN en silicium sous un éclairage lumineux de 850 nm (comme le montre la figure 3b). La photo-réponse dépendante de la longueur d'onde, comme le montre la figure 3c, présente une photo-réponse considérablement améliorée dans un spectre à large bande presque sur toute la région visible et proche infrarouge (IR) après avoir décoré les MCA sur les appareils. Le rapport d'amélioration a été calculé et est illustré à la Fig. 3d. On peut voir que seulement dans la région de longueur d'onde de 625  à 695 nm avec la vallée centrale située à ~ 660 nm, il n'y a pas d'amélioration, ce qui correspond bien au second ordre (n = 2) Résonance WGM (longueur d'onde maximale à ~ 640 nm) comme on le voit dans les spectres de transmission (région de résonance) de la figure 2b. Alors que dans la région du proche infrarouge (IR) la plus utilisée (~ 800  à ~ 980 nm) pour les PD en silicium, une réactivité nettement améliorée jusqu'à ~ 17% a été obtenue avec succès. Par coïncidence, cette région de longueur d'onde se trouvait également dans la région hors résonance comme mentionné ci-dessus. Les résultats étaient bien cohérents avec les résultats de la simulation où l'amélioration de l'absorption n'a pas pu être améliorée sous l'éclairage en résonance alors qu'une absorption manifestement améliorée peut se produire dans la région hors résonance, comme le montre la figure 2e. Cependant, pour la région de courte longueur d'onde (< 600 nm), l'amélioration significative de l'absorption, ainsi que la photo-réponse, peuvent toujours être obtenues, ce qui correspond bien aux remarquables propriétés antireflet des MCA sur silicium présentés dans la Fig. . 2d. Comme discuté ci-dessus, la qualité de résonance réelle très faible dans les cavités de cette région devrait être la principale raison du piégeage de la lumière à large bande qui est indépendant de la résonance en ou hors résonance.

un Courbes courant-tension (IV) pour les broches PD en silicium fabriquées sous un éclairage sombre et clair (LED 850 nm, 1,2 mW cm ⁻² ). b Comparaison de la réponse actuelle sous un éclairage LED de 850 nm et c la photo-réactivité dépendante de la longueur d'onde dans les appareils avec et sans (contrôle) la décoration des MCA. L'agrandissement partiel dans la région de longueur d'onde plus courte (< 380 nm) a été montré dans l'encart. d Le taux d'amélioration correspondant calculé à partir de c , dans laquelle la sur-résonance (R _sur ) et hors résonance (R _désactivé ) région faisant référence aux spectres de réflexion marqués respectivement en rouge clair et vert clair en arrière-plan

Les résultats ci-dessus ont bien démontré que les propriétés de piégeage de la lumière via la microcavité WGM sont fortement liées à la qualité de résonance, qui dépend des paramètres des cavités. Afin de vérifier davantage le mécanisme d'amélioration mentionné ci-dessus et de manipuler l'amélioration de la réactivité sur les appareils dans une région de longueur d'onde spécifique, telle que la région largement utilisée dans le proche infrarouge (IR) pour la communication ou la détection, les résonances WGM dans les MCA ont été régulées en contrôlant le taille des cavités. Pour la cavité à structure de coque adoptée dans ce travail, la longueur optique effective peut être facilement augmentée en épaississant la couche de coque [36]. Comme le montre la figure 4a, en augmentant l'épaisseur de la coque à 60 nm, beaucoup plus de modes de résonance ont été observés dans le spectre de transmission des MCA. Ces modes de résonance peuvent également être attribués aux résonances WGM correspondantes au moyen de la simulation théorique, comme indiqué dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S7. En comparaison avec les MCA d'une épaisseur de coque de 40 nm (Fig. 2b), le même mode de résonance présente un décalage vers le rouge compréhensible en raison de la longueur effective accrue de la cavité. Les spectres de réflexion expérimentaux de la figure 4b correspondaient également bien au spectre de transmission. Différent des spectres de réflexion expérimentaux pour les MCA avec une épaisseur de coque de 40 nm illustrés sur la figure 2d, la résonance réelle est plus distincte, indiquant la qualité de résonance supérieure, ce qui signifie que l'effet de rétrodiffusion pourrait être plus fort et non en faveur de la lumière. piégeage. Les courbes de réactivité dépendantes de la longueur d'onde sont illustrées sur la figure 4d, ce qui démontre bien cette inférence, où la réactivité dans des régions de longueur d'onde spécifiques a été améliorée tandis que d'autres régions ont été diminuées. À partir de la figure 4d, on peut noter que la région principalement améliorée s'est produite de manière cohérente dans la zone hors résonance tout en décrémentant la région située dans la zone en résonance. De plus, par rapport aux PD décorés par les MCA avec une épaisseur de coque de 40 nm (illustré à la Fig. 3d), une amélioration de la réactivité beaucoup plus élevée a été obtenue dans la région de 800 à 980 nm, qui est principalement utilisée dans la communication et la détection pour les PD en silicium. Une amélioration jusqu'à ~ 25 % peut être obtenue à la longueur d'onde de 820 nm, comme le montre la figure 4d. Cette amélioration beaucoup plus forte aurait dû provenir de la qualité de résonance supérieure pour le WGM de second ordre des MCA, conduisant à l'effet de piégeage de la lumière plus élevé via le mode de fuite de la résonance WGM dans cette région de longueur d'onde. L'intensité de réflectance beaucoup plus faible dans cette région de longueur d'onde expliquait bien cette amélioration significative du piégeage de la lumière, ainsi que la réactivité, comme le montre la figure 4b par rapport au spectre de réflexion de la figure 2d pour les MCA avec une épaisseur de coque de 40 nm . De plus, cette amélioration s'est également principalement produite dans la région hors résonance.

un Spectre de transmission expérimental des MCA sur substrat de saphir avec une épaisseur de coque de 60 nm. b Les spectres de réflexion correspondants des MCA sur un substrat de silicium, comparés au substrat de silicium nu. c Les photo-responsabilités dans l'appareil avec ou sans (contrôle) la décoration des MCA sous un éclairage LED de 850 nm. d Le taux d'amélioration correspondant calculé à partir de c . L'arrière-plan dans la région de résonance et de résonance dans b et d se référant aux spectres de réflexion dans b a été surligné en rouge clair et vert clair, respectivement

Alors que pour la région de résonance de ~ 640 à 710 nm, comme indiqué sur la Fig. 4d (l'arrière-plan était marqué en rouge clair), une réactivité manifestement diminuée a été obtenue raisonnablement en raison de l'effet de rétrodiffusion induit par la qualité de résonance élevée pour ce mode de résonance, tel que discuté plus haut. Semblable aux MCA avec une épaisseur de coque de 40  nm, une forte amélioration peut toujours être réalisée dans la région des longueurs d'onde courtes (< 500 nm) très probablement en raison de la qualité de résonance beaucoup plus faible et de l'effet anti-reflet plus élevé. Les performances de stabilité de ces améliorations par l'ingénierie de piégeage de la lumière ont également été évaluées plus en détail en examinant la photo-réponse pour le même appareil stocké dans l'air ambiant pendant 1 an, qui ne montre presque aucune décroissance de la réponse actuelle par rapport au témoin sous les mêmes conditions de test, comme indiqué dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S8.

Conclusions

En conclusion, une nouvelle stratégie a été proposée pour l'amélioration de l'absorption de la lumière dans la région à large bande et à longueur d'onde spécifique pour les photodétecteurs (PD) en utilisant les multiples résonances WGM générées dans les réseaux de microcavités ZnO (MCA). Avec la décoration des réseaux de microcavités diélectriques (MCA) facilement préparés sur les PIN PD à base de silicium, un piégeage de la lumière à large bande et une amélioration de la photo-réactivité ont été obtenus avec succès couvrant presque toute la région ultraviolet-visible proche infrarouge (300-1000 nm) . Les résultats théoriques et expérimentaux ont indiqué que le rayonnement en mode de fuite des résonances WGM, qui fonctionnent le plus efficacement dans la région hors résonance, est le principal mécanisme d'amélioration du piégeage de la lumière. En manipulant davantage les pics de résonance WGM et la qualité de résonance en augmentant l'épaisseur de la coque des cavités, un piégeage de la lumière spécifique et une amélioration de la réactivité ont été obtenus dans la région de communication et de détection la plus utilisée (800-980 nm) avec une amélioration maximale allant jusqu'à ~ 25% à 820 nm. Ce travail a bien démontré une méthode de compatibilité peu coûteuse et bonne pour améliorer le piégeage de la lumière et donc la réactivité avec des spectres à large bande ou sélectifs pour la photodétection en introduisant le mode de fuite des réseaux de cavités diélectriques résonantes WGM. L'approche de manipulation de la lumière utilisée dans ce travail fournit un guide important pour la conception d'architectures de micro et nanomatériaux afin de faciliter les nouvelles applications dans une plage de longueurs d'onde spécifique dans les dispositifs optoélectroniques.

Méthodes/Expérimental

Processus de fabrication des dispositifs PIN PD

Les PIN PD ont été fabriqués sur un substrat de silicium de type p (100) de 200 μm d'épaisseur acheté auprès de WaferHome [37] avec une résistivité de 0,001 Ω cm. Une couche intrinsèque de 20 µm d'épaisseur a été épitaxiée sur le substrat. Puis, implantation d'ions phosphore de type n avec une dose d'implantation de 1 × 10 ¹⁶ cm ⁻² et une énergie de 160 keV a été appliquée sur la couche intrinsèque pour former la structure finale du dispositif PIN. Avant la décoration des structures MCA, la plaquette PIN a été nettoyée en standard pour éliminer les matières organiques résiduelles en surface et les ions métalliques. Enfin, les processus de fabrication de puces ont été réalisés avec la région photosensible conçue de 2,8 mm × 2,8 mm. Une électrode en aluminium de 100 nm d'épaisseur d'un diamètre de 160 μm sur la surface de type n et un film d'Au de 50 nm d'épaisseur avec une couche de liaison Ti de 5 nm sur la face arrière ont été déposés par pulvérisation (Explorer-14, Denton Vacuum ) pour former un contact métallique ohmique.

Processus de fabrication de la couche ZnO MCA

Les MCA de ZnO ont été produits en utilisant les nanosphères de polystyrène (PS) comme modèle suivi d'un dépôt par pulvérisation cathodique d'un film de ZnO, et les nanosphères de PS ont finalement été retirées par recuit thermique [29]. Des nanosphères de PS du commerce achetées auprès de Nanomicro (Suzhou Nanomicro Technology Co., Ltd.) d'un diamètre de 530 nm ont été utilisées comme matériau de gabarit pour fabriquer des matrices de microcavités ZnO. L'enveloppe des films minces de ZnO de différentes épaisseurs (~ 40 et ~ 60 nm) a été contrôlée en ajustant les différentes durées de dépôt.

Caractérisations

La morphologie et la structure ont été caractérisées au microscope électronique à balayage à émission de champ Hitachi S-4800 (FE-SEM). Les données expérimentales des spectres de transmission et de réflexion ont été recueillies par le spectrophotomètre Varian Cary 5000 UV-Vis-NIR. Les caractéristiques photocourant et IV des dispositifs ont été mesurées sur un poste de travail électrochimique (CHI660D) équipé d'une station de sonde à température ambiante et de sources lumineuses à LED. L'efficacité quantique externe (EQE) des dispositifs sous 0 biais a été mesurée à l'aide d'un wattmètre optique (Newport, 2936-R), équipé d'une source lumineuse (Newport, 66 920) et d'un monochromateur (Cornerstone 260, Newport). Les spectres de transmission/réflexion simulés et la distribution en champ proche ont été extraits par un logiciel de simulation FDTD (FDTD Solutions, Lumerical Inc.).

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié et ses fichiers d'informations supplémentaires.

Abréviations

3D :

Trois dimensions

EQE :

Efficacité quantique externe

IR :

Infrarouge

IV :

Courant-tension

AMC :

Réseaux de microcavités

PD :

Photodétecteurs

PIN :

Positif-intrinsèque-négatif

PS :

Polystyrène

R _désactivé :

Hors résonance

R _sur :

Sur résonance

T _coquille :

Épaisseur de la coque

WGM :

Whispering-gallery-mode