Absorption photonique accrue dans les photodétecteurs infrarouges à points quantiques via plasmons de surface de réseaux de nanotrous métalliques

Résumé

Avec la demande croissante pour des dispositifs photodétecteurs de petite taille, les photodétecteurs infrarouges basés sur points quantiques ont attiré de plus en plus d'attention ces dernières décennies. Dans ce travail, des structures périodiques de réseaux de nanotrous métalliques sont introduites dans les photodétecteurs infrarouges à points quantiques pour améliorer la performance d'absorptivité photonique via l'effet d'amélioration par plasmons de surface, afin de surmonter le goulot d'étranglement de la faible efficacité d'absorption optique des photodétecteurs conventionnels. Les résultats démontrent que les structures optimisées de réseaux de nanotrous métalliques peuvent grandement améliorer l'absorptivité photonique jusqu'à 86,47 % dans les photodétecteurs spécifiques, soit 1,89 fois celle des photodétecteurs conventionnels sans structures de réseaux métalliques. Cette forte amélioration de l'absorptivité peut être attribuée à l'effet de couplage local de plasmons de surface causé par les structures de réseaux de nanotrous métalliques. On pense que cette étude peut fournir un guide théorique certain pour les photodétecteurs infrarouges à points quantiques nanoscopiques à haute performance.

Contexte

Les photodétecteurs infrarouges à semi-conducteurs peuvent détecter la lumière infrarouge et ont de grandes perspectives d'application dans la recherche scientifique, l'imagerie numérique, la communication optique et les domaines militaires. À ce jour, les photodétecteurs infrarouges à points quantiques (QDIPs) ont attiré une attention croissante ces dernières années en raison de leurs propriétés de réponse lumineuse exceptionnelles et des tendances vers la miniaturisation des dispositifs. Bien que des décennies d'efforts soutenus aient permis de grands progrès dans le développement de technologies pour obtenir des QDIPs à haute performance, des améliorations supplémentaires sont encore nécessaires pour relever les défis de la miniaturisation des dispositifs et des exigences pratiques. Il a été souligné que le couplage de réseaux métalliques sur la région active à base de points quantiques pourrait être considéré comme une approche efficace pour améliorer les performances des QDIPs, permettant d'obtenir un coefficient de photoabsorption élevé par l'effet de photocouplage local renforcé par plasmons.

Selon les rapports, il existe deux principaux types de structures de réseaux métalliques utilisés pour améliorer les performances des QDIPs. L'un est la structure de réseau de trous métalliques, l'autre la structure de réseau métallique sans trous. Plus concrètement, concernant l'application de la structure de réseau de trous métalliques, le groupe de Chang a combiné le réseau périodique de trous métalliques avec la couche de points quantiques dans le QDIP en 2007, ce qui a conduit à une transmission lumineuse supernormale du photodétecteur. En 2009, Lee et al. ont proposé une méthode pour QDIP à haute détectivité en intégrant des cristaux photoniques métalliques avec un réseau de trous de période 3,6 μm (épaisseur 100 nm). Les résultats démontrent que cette méthode peut réaliser la réponse de pointe du photodétecteur à la longueur d'onde de 11,3 μm et produire jusqu'à 30 fois plus de détectivité que sans le cristal photonique métallique. Ensuite, ils ont discuté la performance des QDIP en fonction de la lumière incidente et leur application dans les réseaux de plans focaux. Une amélioration de performance similaire peut aussi être trouvée dans les rapports utilisant le réseau de couplage par réseau de trous métalliques. Les structures de réseaux métalliques sans trous sont aussi proposées. En 2011, Huang et ses collaborateurs ont utilisé une couche de nanoparticules d'argent plasmoniques auto-organisées pour améliorer la réponse spectrale large du QDIP et obtenu une amélioration de 2,4 à 3,3 fois. En 2014, le groupe de Chen a rapporté que la performance du photodétecteur peut être améliorée par l'effet de champ proche des nanoparticules d'or. En 2015, les groupes de Ding et Wang ont proposé des structures de couplage par guide d'onde et une cavité résonnante unique de réflecteur de Bragg distribué respectivement. Outre les structures susmentionnées, d'autres structures métalliques, par exemple les réseaux de bandes d'antenne et les réseaux de nanodisques, ont aussi été discutées et analysées.

Cependant, ces méthodes sans réseau de trous peuvent aussi exhiber un effet d'amélioration dans la photoréponse des QDIPs, mais leur processus de fabrication avec des méthodes simples et rentables reste un défi comparé à la structure typique de réseau de trous. Pour les structures typiques de réseau de trous, la taille du réseau de trous est communément à l'échelle micrométrique. L'amélioration de la photoréponse passe par l'effet plasmonique à l'interface entre l'air dans les trous métalliques micrométriques et le semi-conducteur en dessous. La taille du réseau de trous métalliques peut être encore réduite à l'échelle nanométrique attendue pour correspondre à la taille des points quantiques dans les QDIPs nanométriques, et la question se pose de savoir si des QDIPs haute performance avec effet d'amélioration correspondant peuvent être réalisés. Parallèlement, des travaux théoriques supplémentaires sont nécessaires pour élucider les mécanismes sous-jacents à ces phénomènes. Dans cette étude, pour clarifier le phénomène, des QDIPs avec des structures de réseaux de nanotrous métalliques à l'échelle nanométrique sont conçus, et plus important, comparés aux QDIPs micrométriques conventionnels, l'effet d'amélioration est expliqué en analysant la condition de transmission optique et la distribution du champ électrique. Les résultats démontrent que les QDIPs avec les structures de réseaux métalliques à l'échelle nanométrique peuvent avoir une absorptivité photonique jusqu'à 86,47 % grâce à l'interaction photon-point quantique et au couplage lumineux efficace, ce qui peut ouvrir la voie à la conception et l'optimisation des photodétecteurs infrarouges de taille nanométrique.

Modèle de conception du QDIP avec réseau de nanotrous

En général, le QDIP se compose de la région de points quantiques et des électrodes, la région de points quantiques étant constituée de couches composites de points quantiques périodiques et de couches barrières. Dans des conditions idéales (en ignorant les influences des électrodes et du substrat), la transmission optique de l'ensemble du QDIP peut être supposée égale à celle de la région de points quantiques. Ainsi, les électrodes et le substrat n'ont pas besoin d'apparaître dans la conception du QDIP. Plus précisément, la Figure 1a donne la conception du QDIP typique, constitué de 5 couches composites de points quantiques périodiques, ces couches composites étant constituées par la couche barrière AlGaAs et les couches GaAs incluant les points quantiques périodiques (Figure 1b). Dans la configuration actuelle, les nanoparticules de points quantiques sont supposées de forme cubique, conformément à la définition des points quantiques formés avec de nombreux atomes et molécules, et mesurent 40 nm de longueur, 40 nm de largeur et 7-9 nm de hauteur. Un modèle similaire de points quantiques peut aussi être trouvé dans la littérature rapportée. La surface du QDIP est fixée à 1000 nm × 1000 nm, et l'épaisseur des couches barrières AlGaAs est de 60 nm. Le réseau de nanotrous métalliques choisi en or (Au) est placé sur les couches nanostructurées de points quantiques conventionnelles du QDIP conventionnel, nommé QDIP amélioré affiché en Figure 2. Le rayon des trous peut être ajusté dans la gamme 50-70 nm. Il est noté que le matériau constituant le point quantique ne peut pas être simplement considéré comme un matériau massif avec un certain indice de réfraction. La Figure 3 révèle la caractéristique de dispersion électrique du matériau GaAs utilisé pour former le point quantique par la méthode d'Edward D. Palik. Dans la figure, la courbe bleue et la courbe rouge représentent la constante diélectrique du GaAs ε^′ et ε^″ respectivement. Les Figures 4a et 4b montrent les caractéristiques de dispersion électrique des matériaux GaAs, Al_0,3Ga_0,7As et or, respectivement.

Méthode de calcul basée sur la cellule YEE

Basé sur le modèle physique conçu ci-dessus, la méthode d'intégration par éléments finis est utilisée pour calculer la condition de transmission optique. Tout d'abord, basés sur les cellules YEE, les équations intégrales de Maxwell satisfaisant le modèle ci-dessus sont écrites comme suit :

$$ {\oint}_L\mathbf{E}\cdot d\mathbf{l}=-\frac{\partial }{\partial t}{\int}_S\mathbf{B}\cdot d\mathbf{S} $$ (1)

$$ {\oint}_L\mathbf{H}\cdot d\mathbf{l}=\mathbf{J}+\frac{\partial }{\partial t}{\int}_S\mathbf{D}\cdot d\mathbf{S} $$ (2)

$$ {\oint}_S\mathbf{D}\cdot d\mathbf{S}=q $$ (3)

$$ {\oint}_S\mathbf{B}\cdot d\mathbf{S}=0 $$ (4)

Dans notre calcul, les équations 1-4 sont discrétisées. La distribution des nœuds de champ électrique et des nœuds de champ magnétique sont choisis au format « cellule Yee ». En utilisant l'équation 1 comme exemple, le modèle électromagnétique du photodétecteur peut être considéré comme l'accumulation de « cellules Yee ». Comme montré en Figure 5, les quatre côtés de la cellule arbitraire correspondent à l'équation 1, représentant les vecteurs de champ électrique e_i, e_j, e_k et e_l. Le vecteur situé dans la direction normale est le vecteur de champ magnétique b_n, et ainsi l'équation 1 précédente peut être réécrite comme l'équation 5 suivante :

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

En adoptant une méthode similaire, l'équation du modèle électromagnétique de l'ensemble du photodétecteur peut être écrite comme :

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

L'équation 2 peut aussi être réécrite comme :

$$ C\mathbf{e}=-\dot{\mathbf{b}} $$ (7)

Selon la méthode similaire, les autres équations 2-4 peuvent être discrétisées comme :

$$ \tilde{C}\mathbf{h}=\dot{\mathbf{d}}+\mathbf{j} $$ (8)

$$ \mathbf{s}\mathbf{b}=0 $$ (9)

$$ \tilde{S}\mathbf{d}=q $$ (10)

En combinant les équations discrétisées 7-10 avec la condition de bord, le champ électrique et le champ magnétique peuvent être résolus par la méthode itérative. Dans cette étude, la structure de réseau de trous métalliques est placée sur le dessus du QDIP conventionnel, et en tant que telle, la structure peut faciliter le couplage lumineux par diffusion de Bragg. La communication optique correspondante est calculée plus loin, ce qui peut être discuté dans la section suivante lorsque la condition de transmission, de réflexion et d'absorption est donnée. De plus, basé sur la relation entre l'absorption et l'efficacité quantique, la responsivité du QDIP peut être donnée. Plus concrètement, comme bien connu, la responsivité du QDIP comme paramètre de performance très important peut être calculée par le rapport du photocourant et de la puissance de la lumière incidente. Elle peut s'écrire comme :

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

où I_photo est le photocourant du QDIP, P la puissance de la lumière incidente, g le gain photoconductif, e la charge de l'électron, h la constante de Planck, v la fréquence de la lumière incidente, et η l'efficacité quantique.

L'efficacité quantique peut être définie comme le rapport du nombre de paires électron-trou et celui du photon incident, qui dépend fortement de l'absorption du photodétecteur. En pratique, puisque la lumière incidente illumine directement la région d'absorption, elle ne peut pas être absorbée complètement en raison de la réflexion de la couche de contact supérieure ou de la couche métallique. Ainsi, l'efficacité quantique du QDIP peut s'écrire comme :

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

où α₀W est le coefficient d'absorption du QDIP, α₀d le coefficient d'absorption de la couche de contact incidente, r la réflexion de la couche incidente, respectivement.

Dans le QDIP, le gain photoconductif peut être défini comme le rapport du temps de recombinaison des électrons d'un état étendu vers un point quantique τ_life au temps de transit des électrons à travers le dispositif τ_total, et peut s'exprimer comme :

$$ g=\frac{\tau_{life}}{\tau_{total}} $$ (13)

Et sous la condition que le temps de transit à travers une période de la couche composite de points quantiques est considérablement plus petit que le temps de recombinaison d'un état étendu vers un point quantique, le gain peut s'écrire comme :

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

où K est le nombre de couches composites de points quantiques, L la distance entre couches de points quantiques, μ la mobilité des électrons, E la densité de champ électrique à travers le QDIP, v_s la vitesse de saturation des électrons, h_QD la hauteur des points quantiques, ∑_QD la densité de points quantiques dans chaque couche de points quantiques, a_QD la taille latérale des points quantiques, et V_t le taux de capture des électrons, respectivement.

En substituant l'équation (12) et les équations (14) dans l'équation (11), on obtient la responsivité du QDIP, qui peut s'exprimer comme :

$$ R=\frac{\lambda \left(K+1\right) L\mu E{\left[1+{\left(\mu E/{v}_s\right)}^2\right]}^{-1/2}\left(1-r\right)\exp \left(-{\alpha}_0d\right)\left[1-\exp \left(-{\alpha}_0W\right)\right]}{1,24\mathrm{K}\pi {a}_{QD}^2{h}_{QD}^2{\sum}_{QD}{V}_{\mathrm{t}}} $$ (15)

Résultats et Discussion

Basé sur la conception du QDIP ci-dessus, si la lumière infrarouge incidente frappe le sommet de ces QDIPs dans la direction de l'axe z, les photodétecteurs auront la réflexion et la transmission de la lumière incidente. L'absorptivité des photodétecteurs peut être déterminée en étudiant ces conditions de transmission optique de la lumière incidente, qui jouent un rôle très important dans l'évaluation de la performance du photodétecteur. La Figure 6 présente leurs conditions de réflexion du photodétecteur sans réseau métallique (QDIP conventionnel) et celui avec réseau métallique (QDIP amélioré). En comparant les deux courbes de la Figure 6, on trouve que les valeurs du coefficient de réflexion du QDIP conventionnel sont légèrement plus petites que celles du QDIP amélioré, hormis des valeurs individuelles dans les gammes de fréquence de 250-260 THz et 279-293 THz. Spécifiquement, en prenant la valeur à la fréquence de 219 THz comme exemple, le coefficient de réflexion du QDIP conventionnel est -3,91 dB, tandis que le QDIP amélioré est aussi bas que -1,31 dB. Comme dit plus haut, le QDIP amélioré peut avoir une valeur légèrement plus élevée que le QDIP conventionnel, mais on trouve que l'absorption minimale du QDIP amélioré est bien plus petite que celle du QDIP conventionnel. Plus spécifiquement, l'absorption minimale du QDIP amélioré est -16,17 dB à la fréquence de 255,10 THz, alors que la valeur pour le QDIP conventionnel est égale à -13,42 dB à 254,86 THz. Le faible coefficient de réflexion du QDIP amélioré pourrait être attribué au coefficient d'absorption plus élevé du métal que celui du semi-conducteur pour la lumière infrarouge. L'absorption peut être calculée basée sur les contributions communes de la réflexion et de la transmission. La Figure 7a représente le coefficient de transmission du QDIP conventionnel et leurs valeurs marquées en bleu sont clairement plus grandes que celles du QDIP amélioré sur toute la gamme de fréquence 200-340 THz. Par exemple, à la fréquence de 298 THz, le coefficient de transmission du QDIP amélioré n'est que -10,83 dB, soit 1,60 fois plus petit que celui du QDIP conventionnel qui est -4,15 dB. Selon la relation compétitive entre la transmission, la réflexion et l'absorption, la diminution du coefficient de transmission entraînera l'augmentation de l'absorption sous la condition d'ignorer les autres pertes de la lumière incidente.

En combinant la situation de transmission de la Figure 7a avec la situation de réflexion de la Figure 6, l'absorptivité du QDIP peut être calculée, montrée en Figure 7b. Dans la figure, la courbe rouge (marquée « 60 nm amélioré ») décrit l'absorptivité du QDIP amélioré avec la structure métallique, et l'autre courbe bleue représente le QDIP conventionnel sans structure de trous métalliques (marquée « 60 nm conventionnel »). En comparant les deux courbes, on trouve que l'absorptivité du QDIP amélioré est plus élevée que celle du QDIP conventionnel. Le maximum de l'absorptivité du QDIP amélioré est 0,782 à la fréquence de 286 THz, soit 1,71 fois plus élevé que celui du QDIP conventionnel qui n'est que 0,458 à la fréquence de 257 THz. Les raisons de l'augmentation de l'absorptivité du QDIP amélioré peuvent s'expliquer comme suit. Les structures de réseaux de nanotrous métalliques sont introduites sur le dessus du QDIP conventionnel, et une telle configuration peut favoriser l'effet de résonance de plasmons de surface, menant à l'effet de couplage local de la lumière incidente. De plus, l'effet de couplage local peut faire entrer plus de lumière incidente dans les couches de points quantiques semi-conducteurs en dessous, ce qui résulte en une absorption élevée pour la lumière incidente et de meilleures propriétés photoélectriques avec un photocourant plus grand et une efficacité quantique plus élevée.

Pour clarifier davantage comment réaliser l'effet d'amélioration plasmonique dans les QDIPs améliorés, nous étudions aussi l'influence des différentes structures de nanotrous métalliques sur l'absorptivité des QDIPs améliorés. Comme montré en Figure 8a, les courbes d'absorptivité des QDIPs améliorés avec différents rayons de nanotrous métalliques correspondent aux courbes noire (50 nm), verte (55 nm), rouge (60 nm) et bleue (65 nm) respectivement. Les valeurs d'absorptivité des QDIPs améliorés révèlent des tendances de changement différentes sous différents nanotrous. Les valeurs de pic de l'absorptivité pour le QDIP amélioré sont 0,744 (courbe noire à 289 THz), 0,721 (courbe verte à 291 THz), 0,782 (courbe rouge à 286 THz) et 0,707 (courbe bleue à 288 THz) respectivement. Évidemment, parmi ces photodétecteurs, le QDIP amélioré avec un rayon de trou de 60 nm a la meilleure performance d'absorptivité. En même temps, il est bien connu que l'épaisseur de la couche de trous métalliques peut aussi influencer l'absorptivité. Comme démontré en Figure 8b, quand l'épaisseur de la couche métallique dans le QDIP amélioré varie de 10 à 40 nm, les valeurs de pic de l'absorptivité changent correspondamment de 0,667 (263 THz pour épaisseur 10 nm) à 0,782 (286 THz pour 20 nm), 0,662 (293 THz pour 30 nm) et 0,590 (262 THz pour 40 nm). Parmi ces valeurs de pic, la couche de nanotrous métalliques avec une épaisseur de 20 nm a la plus haute valeur d'absorptivité.

Pour clarifier le phénomène ci-dessus, nous étudions davantage les conditions de distribution du champ électrique à la surface supérieure du QDIP amélioré avec les différents rayons de trous métalliques à 286 THz. La Figure 9 révèle la distribution du champ électrique à différents rayons de trous métalliques dans la gamme 50-65 nm. En comparant les quatre images de la Figure 9a, il est clair que les QDIPs avec un rayon de trou de 50 nm (Figure 9a) et 55 nm (Figure 9b) peuvent avoir une amélioration du champ électrique relativement plus faible en raison des distributions de champ électrique correspondantes dans les Figures 9a et b s'étendant sur toute la zone incluant les trous et leurs régions adjacentes, et ainsi leurs effets de couplage local de champ électrique peuvent être ignorés, alors qu'une zone de couplage local du champ électrique avec un champ électrique élevé peut être observée en Figures 9c et 9d. Les fortes distributions de champ électrique autour des trous en Figures 9c et d avec la forme d'anneau peuvent être localisées à l'interface entre les trous métalliques et l'air dans les trous métalliques comme résultat de l'effet de couplage de plasmons de surface. En comparant les distributions de champ électrique en Figures 9c et d, l'effet de couplage de champ électrique en Figure 9c est plus fort que celui en Figure 9d selon leurs couleurs marquées qui sont un mélange de rouge, vert et bleu. À cet égard, la couleur rouge représente le champ le plus fort, et la couleur bleue le champ le plus faible. Basé sur l'analyse ci-dessus, les nanotrous métalliques avec un rayon de 60 nm génèrent bien l'effet d'amélioration du champ électrique par les plasmons de surface. Pour rendre l'effet d'amélioration plus clair, la distribution du champ électrique sur le plan xz correspondant à l'absorption maximale du QDIP optimisé à la fréquence de 286 THz dans notre étude est montrée en Figure 10a, qui se trouve sur la section y = 0 (correspondant au champ du plan xz). Dans la figure, depuis la direction de l'axe z, la distribution du champ électrique améliorée se trouve dans la région entre les trous métalliques adjacents marquée en rouge et le champ faible se trouve dans la région des trous métalliques marquée en bleu. La distribution du champ électrique révèle directement l'absorption améliorée du QDIP. C'est l'effet de couplage d'amélioration qui mène à l'augmentation de l'absorptivité, et mène davantage à la haute efficacité quantique du QDIP amélioré. Bien sûr, les mêmes conclusions peuvent aussi être tirées en analysant la distribution du champ magnétique selon les propriétés électromagnétiques de la lumière. Comme la discussion de la distribution du champ magnétique est la même que celle du champ électrique, il n'est pas nécessaire d'en discuter dans cette étude.

En outre, comme dit plus haut, l'effet d'amélioration provient des plasmons de surface, et le mode de l'onde de plasmons de surface excitée est déterminé. Les Figures 10a et 10b affichent les résultats des champs électrique et magnétique. Dans la figure, la Figure 10b exhibe la distribution de polarisation du champ électrique sur le plan yz. On voit que le champ électrique est normal au plan yz, c'est-à-dire que le champ électrique ne peut pas avoir de composante E_z. La Figure 10c présente la distribution de polarisation du champ magnétique. On trouve que le champ magnétique est parallèle au plan yz, c'est-à-dire qu'il y a la composante H_z dans la direction de propagation de la lumière incidente qui est la direction z. Donc, dans notre étude, l'onde de plasmons de surface excitée est le mode TE. De plus, pour clarifier la position utilisée pour exciter le plasmon de surface, la distribution du champ magnétique près de l'interface du trou métallique est montrée au sommet de la Figure 10c. On voit que le champ magnétique à la position entre les trous métalliques adjacents est plus fort que celui dans les trous métalliques. En plus, selon le champ électrique apparu en Figure 10a, cela peut aussi prouver que le champ d'amélioration est concentré sur la localisation entre les trous métalliques adjacents. Par conséquent, la conclusion peut être tirée que l'effet de plasmon de surface peut provenir de la surface entre le métal et le semi-conducteur, qui se trouve à la position entre les trous métalliques adjacents. Bien sûr, il vaut la peine de noter que l'amélioration de l'absorption ne provient pas seulement des plasmons de surface mais aussi de la réflexion améliorée de la couche métallique, menant à l'absorption secondaire de la lumière incidente puisque la lumière incidente illumine le QDIP le long de l'axe z.

Il est bien connu que les paramètres liés aux couches métalliques peuvent aussi avoir de grandes influences sur la performance du QDIP. Afin de déterminer les paramètres optimaux, l'épaisseur de la couche barrière et la couche de points quantiques sont analysées et discutées sous les conditions de l'épaisseur de couche métallique optimisée (20 nm) et du rayon de trou métallique (60 nm). La Figure 11a représente la tendance de changement de l'absorptivité des photodétecteurs avec les différentes épaisseurs de la couche barrière dans la gamme 70-85 nm. De l'image, ces courbes d'absorptivité ont une tendance de changement similaire. Quand les épaisseurs de la couche barrière varient dans la gamme 70-85 nm, les valeurs maximales d'absorptivité correspondantes des QDIPs améliorés sont 0,7581 (70 nm, à 322,78 THz), 0,7763 (75 nm, à 304,84 THz), 0,8552 (80 nm, à 292,75 THz) et 0,8346 (85 nm, à 284,17) respectivement. En comparant ces valeurs maximales d'absorptivité, on trouve que la couche barrière avec une épaisseur de 80 nm a la meilleure performance d'absorptivité pour les QDIPs améliorés. En fixant les autres paramètres avec les valeurs optimisées ci-dessus, les influences des épaisseurs de la couche de points quantiques sur la performance d'absorptivité pour le QDIP amélioré sont étudiées davantage, et les courbes correspondantes sont montrées en Figure 11b. De la figure, on trouve que la courbe rouge peut avoir la valeur maximale d'absorptivité de 0,8647 à la fréquence de 295,48 THz pour le QDIP amélioré avec une épaisseur de couche de 7 nm, ce qui illustre que le photodétecteur peut avoir l'état de transition optimal.

Basé sur la discussion ci-dessus, il est clair que non seulement les paramètres liés au QDIP peuvent influencer la performance du dispositif, mais aussi les épaisseurs de la couche de points quantiques et de la couche barrière peuvent déterminer la performance du dispositif. Dans cette étude, selon les résultats de calcul théorique, les paramètres optimisés pour les QDIPs améliorés peuvent être donnés avec une épaisseur de couche métallique de 20 nm, un rayon de trou métallique de 60 nm, une épaisseur de couche de points quantiques de 7 nm et une épaisseur de couche barrière de 80 nm. L'absorptivité du photodétecteur optimal peut être aussi haute que 0,8647. De plus, en comparant le QDIP conventionnel avec le QDIP optimisé comme montré en Figure 12, les valeurs d'absorptivité dans la courbe rouge sont bien plus élevées que celles dans la courbe bleue, hormis les valeurs dans la gamme de fréquence 222,91-262,18 THz. L'absorptivité maximale dans la courbe rouge est égale à 0,8647 à la fréquence de 295,48 THz, soit 1,89 fois plus grande que celle dans la courbe bleue (qui est la même que la courbe précédente marquée « 60 nm conventionnel » en Figure 7b correspondant au QDIP sans réseau de trous métalliques) à la fréquence de 257 THz. Le décalage de fréquence pour le pic d'absorptivité maximal résulte principalement du changement d'épaisseur du photodétecteur amélioré. De plus, basés sur les paramètres optimisés des QDIPs, les épaisseurs de la couche de points quantiques et de la couche barrière, la valeur d'efficacité quantique et la responsivité du photodétecteur sont calculées.

Efficacité quantique et responsivité du QDIP

Basé sur les résultats calculés de l'absorptivité en Figure 12 ainsi qu'en combinant avec l'expression de l'efficacité quantique et de la responsivité du QDIP ci-dessus, l'efficacité quantique du QDIP et la responsivité peuvent être calculées, et les résultats correspondants sont tracés en Figures 13a et 13b. La Figure 13a représente l'efficacité quantique du QDIP. Dans cette figure, la courbe pointillée bleue représente l'efficacité quantique du QDIP sans réseau métallique, l'autre courbe rouge continue est celle du QDIP optimisé avec réseau métallique. En comparant les deux courbes, on observe que l'efficacité quantique maximale du QDIP optimisé est 0,2961 à la fréquence de 295,87 THz, et elle est 1,205 fois celle du QDIP conventionnel qui est égale à 0,2458 à la fréquence de 256,48 THz. La tendance d'augmentation est similaire à l'absorptivité fournie en Figure 12 qui résulte de l'introduction du réseau de trous métalliques et de l'optimisation du photodétecteur infrarouge à points quantiques. Basé sur les tendances d'augmentation pour l'absorptivité, on trouve que la responsivité du QDIP révèle aussi des tendances d'augmentation similaires. Plus spécifiquement, la Figure 13b donne la responsivité du QDIP optimisé et du QDIP conventionnel respectivement. Dans la figure, la courbe rouge représente la responsivité du QDIP conventionnel, et la courbe bleue celle du QDIP optimisé avec la couche de trous métalliques. Similaire à l'analyse en Figure 13a, la responsivité est de 0,0326 mA/W à la fréquence de 295,87 THz, ce qui est 0,0174 plus grand que celle du QDIP conventionnel à la fréquence de 256,48 THz (qui est 0,0152). L'augmentation de la responsivité peut être prouvée dans l'autre bande de fréquence dans la gamme 229,57-254,41 THz, ce qui démontre évidemment l'amélioration de la performance du photodétecteur due à l'introduction du réseau de trous métalliques et à l'optimisation des régions de points quantiques. De plus, les raisons de l'amélioration ont été discutées en détail en analysant la distribution du champ électrique des régions de points quantiques ci-dessus.

Influence des électrodes et du substrat

Ce qui a été étudié ci-dessus est sous la condition d'ignorer l'influence des électrodes et du substrat ; en fait, les électrodes et le substrat peuvent avoir certaines influences sur la performance, mais ils n'influencent pas la description des effets d'amélioration de la performance du QDIP optimisé avec la couche métallique. C'est parce que les électrodes et le substrat peuvent avoir presque la même influence sur l'absorption du QDIP avec la couche métallique et sans la couche métallique. Pour illustrer la question adéquatement, nous avons recalculé l'absorption du QDIP en considérant l'influence résultant du substrat et des électrodes ainsi que l'efficacité quantique, la responsivité, etc. Plus concrètement, il est bien connu que les électrodes sont généralement conçues aux deux extrémités de la région d'absorption des points quantiques, et ainsi, comme montré en Figure 14a, l'une est au sommet du QDIP conventionnel et l'autre à l'extrémité inférieure de la région d'absorption du QDIP. C'est-à-dire qu'elle se trouve au sommet du substrat, qui peut fournir la région d'absorption de points quantiques avec la tension de polarisation et transmettre le courant avec les électrodes dites ci-dessus. Ici, il convient de mentionner qu'il y a le réseau de nanotrous métalliques au lieu de l'anneau métallique dans le QDIP optimisé dans notre étude utilisé comme électrodes. L'autre électrode est similaire à celle du QDIP conventionnel. Basé sur la conception ci-dessus, une distribution concrète des électrodes est clairement calculée en Figure 14a. Similaire à la Figure 14a, en Figure 14b, le matériau des électrodes est choisi comme l'or, et le substrat comme AlGaAs ; leurs épaisseurs sont 20 nm et 300 nm respectivement.

Basé sur l'introduction des électrodes et du substrat dans la structure du QDIP ci-dessus, nous avons calculé l'absorption des QDIPs, et les résultats correspondants sont comparés avec le QDIP sans les électrodes et le substrat. La Figure 15 démontre l'influence des électrodes et du substrat sur l'absorptivité du QDIP. Dans la figure, la courbe bleue et la courbe rose sont l'absorptivité du QDIP conventionnel sans les électrodes et le substrat et celle du QDIP optimisé sans les électrodes et le substrat respectivement. La courbe pointillée rouge représente l'absorptivité du QDIP optimisé avec les électrodes et le substrat. Son absorption maximale est 0,7620 à la fréquence de 304,35 THz, ce qui est juste 0,1027 plus petit que celui du QDIP optimisé sans électrodes et substrat. La diminution de l'absorptivité est dégradée par la perte des électrodes et du substrat, la même que la courbe verte avec l'absorptivité du QDIP conventionnel avec les électrodes et le substrat. En comparant l'absorptivité du QDIP conventionnel et du QDIP optimisé avec électrodes et substrat, l'amélioration est très claire dans l'absorptivité du QDIP optimisé avec électrodes et substrat, qui est la même que le QDIP optimisé en Figure 12. En d'autres termes, bien que les électrodes et le substrat puissent résulter en une diminution de l'absorptivité, l'absorptivité totale du QDIP optimisé peut être améliorée comparée à celle du QDIP nu, et ainsi la diminution peut être négligeable car elles ont une influence très faible sur la description de l'amélioration du QDIP optimisé en utilisant le réseau de trous métalliques.

En outre, on peut observer que la tendance de changement de l'absorptivité du QDIP avec les électrodes et le substrat ne peut pas être la même que les courbes précédentes (correspondant à la courbe bleue et rose). Elles sont plus complexes avec de nombreuses valeurs de pic. Les raisons de ce phénomène peuvent s'expliquer comme suit. Premièrement, l'ajout des électrodes et du substrat peut produire plus ou moins une perte et des décalages de fréquence dus à l'effet de chauffage accumulé et autres facteurs d'influence négatifs. Deuxièmement, puisque le matériau des électrodes est choisi comme le métal, dans le QDIP optimisé avec les électrodes et le substrat, cela peut résulter en une réflexion améliorée et un plasmon de surface amélioré. Les deux raisons favorisent ensemble l'amélioration de l'absorptivité comme démontré en Figure 15.

Conclusions

En conclusion, la performance du QDIP conventionnel peut être grandement améliorée en ajoutant le réseau de nanotrous métalliques à l'échelle nanométrique, et le mécanisme d'amélioration de la performance pour les QDIPs améliorés est discuté en analysant la réflexion, la transmission, l'absorption et la distribution du champ électrique. Les résultats démontrent non seulement que les QDIPs améliorés peuvent avoir une absorptivité plus élevée que celle des QDIPs conventionnels, mais indiquent aussi que les paramètres des QDIPs améliorés liés au réseau de nanotrous métalliques avec la couche composite de points quantiques peuvent influencer significativement leur performance. Selon le calcul théorique, les paramètres optimisés des photodétecteurs améliorés sont 20 nm d'épaisseur de couche métallique, 60 nm de rayon de trou métallique, 7 nm d'épaisseur de couche de points quantiques et 80 nm d'épaisseur de couche barrière. La valeur maximale d'absorptivité du photodétecteur optimisé peut être aussi haute que 86,47 % à la fréquence de ~ 300 THz. La forte amélioration de l'absorptivité peut être attribuée à l'effet de couplage local causé par l'amélioration de l'effet de champ électrique via les plasmons de surface, et mène davantage à la haute efficacité quantique et responsivité, qui sont 0,2961 et 0,0326 mA/W respectivement. On pense que la contribution actuelle pourrait fournir un certain guide théorique pour le développement de QDIPs nanométriques à haute performance.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données sont pleinement disponibles sans restriction.

Abréviations

QDIPs:

Photodétecteurs infrarouges à points quantiques

Fig

Figure

Eqs

Équations