Atsitiktinio dydžio plazmoninės nanoantenos ant silicio, kad būtų galima pigiai nustatyti plačiajuostę artimųjų infraraudonųjų spindulių fotodetekciją | mokslinės ataskaitos

Atsitiktinio dydžio plazmoninės nanoantenos ant silicio, kad būtų galima pigiai nustatyti plačiajuostę artimųjų infraraudonųjų spindulių fotodetekciją | mokslinės ataskaitos

Anonim

Dalykai

  • Nanodalelės
  • Nanofotonika ir plazmonika
  • Silicio fotonika

Anotacija

Šiame darbe siūlome silicio pagrindu veikiančius plačiajuosčius dažnius šalia infraraudonųjų spindulių Šotkio barjerinių detektorių. Įrenginiai veikia virš 1200 nm bangos ilgio ir turi fotoatsakomumo vertes, kurios siekia net 3, 5 mA / W, esant mažam tamsiosios srovės tankiui (apie 50 pA / µm 2) . Mes naudojame Au nanoislands silikono paviršiuje, suformuotame greitai atkaitinant ploną Au sluoksnį. Paviršiaus plazmonai sužadinami Au nanoislands ir dėl šios lauko lokalizacijos efektyviai absorbuojami sub-bandgap fotonai. Sugerti fotonai sužadina metalo elektronus į aukštesnius energijos lygius (karštųjų elektronų generavimas), o šių karštųjų elektronų surinkimas į puslaidininkį sukelia foto srovę (vidinę fotoemisiją). Dėl paprasto ir keičiamo dydžio gaminių šie prietaisai tinkami naudoti ypač nebrangiai NIR aptikimo programoms.

Įvadas

Beveik infraraudonųjų spindulių (NIR) fotodetekcija yra svarbi telekomunikacijos 1, 2, spektroskopijos 3, maisto analizės 4 ir naktinio stebėjimo 5 programoms. NIR fotodetekcija paprastai pasiekiama naudojant sudėtines medžiagų sistemas, nepaisant sistemos integravimo sudėtingumo ir brangių 6, 7, 8 . Kaip nebrangi alternatyva, intensyviai tiriami „Germanium“ pagrindu sukurti fotodetektoriai 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 . Silicio fotodetektoriai yra geriausi kandidatai monolitinei integracijai su papildomais metalo oksido puslaidininkių (CMOS) skaitymo schemomis. Tačiau vis dar trūksta labai pigių tik silikoną naudojančių sprendimų. Tradiciniai silicio detektoriai neveikia NIR spektro srityje (ty > 1200 nm) dėl santykinai didelio silicio energijos juostos diapazono (1, 12 eV). 1970 m. Piemuo Jr ir kt. pademonstruotas NIR fotodetekcija naudojant silicio Schottky barjerinius įtaisus 16 . Infraraudonosios šviesos sugertis metaliniame Schottky prietaiso sluoksnyje lemia fotono energijos perkėlimą į metalo elektronus 17 . Fotoelektriniai elektronai (karštieji elektronai), turintys pakankamą pagreitį Schottky barjero kryptimi, įšvirkščiami į puslaidininkį (vidinę fotoemulsiją), dėl to atsiras foto srovė. Nors Silicio Schottky prietaisai žada suderinamumą su CMOS VLSI, jie kenčia nuo žemo kvantinio efektyvumo, kurį reikia spręsti norint juos visapusiškai panaudoti didelėse rinkose. Siekiant įveikti didelį metalo paviršiaus atspindį ir padidinti metalo sugertį, buvo pranešta apie 18, 19 bangolaidžio ir įvairių plazmono sužadinimo 20, 21, 22, 23 struktūrų naudojimą, siekiant pagerinti krintančios šviesos ryšį su metalu. sluoksnis. Akbari ir Berini 19 panaudojo metalo juostos bangolaidį Silicio paviršiuje, kad palaikytų paviršiaus plazmono polaritono (SPP) režimą, kuris stipriai apsiriboja metalo ir puslaidininkio sąsaja. Knight ir kt. 20 parodyta, kaip optinės antenos naudojamos patekusiai NIR šviesai surinkti, sužadinant paviršiaus plazmoną, ir padidinant karštų elektronų generavimo greitį, kai paviršiaus plazmonas suyra. Sobhani ir kt. 21 panašų metodą taikė su metalinėmis grotelėmis ir infraraudonųjų spindulių srityje pasiekė stiprią rezonansą ir siaurą dažnių diapazoną. Buvo vykdomi plazmoniškai patobulinto karšto elektronų fotodetekavimo tyrimai, kurie visi priklauso nuo elektronų pluošto litografijos metodo, kad būtų galima gaminti plazmono sužadinimo struktūras, trukdančias plačiai naudoti šių fotodetektorių nebrangią kainą. Šiame darbe eksperimentiškai pademonstravome Si Schottky fotodiodus plačiajuosčiams artimųjų infraraudonųjų spindulių (NIR) aptikimui 1200–1600 nm bangų ilgių diapazone. Silicio paviršiuje formuojame atsitiktinai paskirstytus Au nanoizlandus, nenaudodami jokios aukštos skyros litografijos technikos. „Au nanoislands“ yra naudojamos plazmoniniu būdu sustiprinti foninės juostos poslinkio fotonų kolekciją ir generuoti foto srovę plataus diapazono NIR srities fotoemulsijos metu.

Rezultatai

Prietaisai turi Au nanoislands ant silicio pagrindo, sudarydami Au-Si Schottky sankryžą. Aliuminio legiruotas cinko oksido (AZO) dangtelio sluoksnis veikia kaip skaidrus laidus oksidas (TCO), sukurdamas elektrinį kontaktą tarp Au nanoizlandų ir suformuodamas heterojunkciją su Silicon 24 . Scheminis prietaisų vaizdas parodytas 1 pav. (A). Įtampų poslinkis yra parodytas 1 pav. (B). Ištirti skirtingo dydžio ir formos „Au nanoisland“ įtaisai. Dviejų tipų prietaisai buvo laikomi nuorodomis. Pirmojoje nuorodoje buvo tik AZO dangtelio sluoksnis ant Si be jokių Au nanoislands (AZO nuoroda). Nesitikima, kad be absorbuojančio metalo sluoksnio ši nuoroda parodys fotoatsakomumą NIR bangos ilgiuose (AZO sluoksnis neturėtų absorbuoti NIR fotonų). Antrasis etaloninis sluoksnis turėjo ploną ištisinį Au sluoksnį Si, be nanodalelių ir be AZO dangtelio (Au nuoroda). Tiesiogiai apšviečiant, paviršiaus plazmonai ant metalinės plėvelės nėra sužadinami, todėl kritusi šviesa labai silpnai jungiasi su ištisiniu metalo sluoksniu. Taigi tikimasi, kad šios nuorodos fotoatsakomumas bus mažesnis nei prietaisų, turinčių nanoizandų.

Image

a) Plačiajuosčio NIR Si Schottky fotodetektoriaus vaizdavimas. A nanoizos susidaro ant n tipo Si substrato greitai termiškai atkaitinant ploną Au plėvelę. Si substratas naudojamas kaip apatinis kontaktas; ir Au nanoislands kartu su AZO dangtelio sluoksniu sudaro aukščiausią kontaktą. b) Optoelektroninio apibūdinimo nustatymas. Fotoelektrinė srovė atimama iš įtampos, esančios ant serijinio rezistoriaus. Tamsiosios srovės ir įtampos (I – V) matavimų poliškumas taip pat yra toks, kaip parodyta diagramoje.

Visas dydis

SEM vaizdai 2 pav. Parodo kaitinimo temperatūros poveikį Au nanoisland formavimui. Au sluoksnis virsta pusiau ištisine plėvele, atkaitinant 300 ° C temperatūroje (2 pav. (A)). Kai atkaitinamas 450 ° C temperatūroje, Au sluoksnis sudaro atsitiktinio dydžio ir atsitiktinai pasiskirstančias nanodaleles (2 pav. (B)). Padidinus atkaitinimo temperatūrą iki 600 ° C, nanodalelių dydžiai susitraukia (2 pav. (C)). Kiekvieno SEM atvaizdo dalelių dydžio histograma taip pat patikrina nanodalelių dydžio sumažėjimą didėjant atkaitinimo temperatūrai.

Image

300 ° C temperatūroje atkaitintas pavyzdys turi pusiau ištisinę Au plėvelę. Kituose dviejuose mėginiuose susidaro nanodalelės ir padidėjus atkaitinimo temperatūrai, susidaro mažesnės dalelės. Kiekvieno mėginio dalelių dydžio pasiskirstymo histograma pavaizduota atitinkamame SEM paveiksle. Mažėjant kietėjimo temperatūrai, didėja mažesnių dalelių populiacija.

Visas dydis

Tamsiojo IV matavimo rezultatai pavaizduoti 3 pav. (A). AZO etaloninis įtaisas, neturintis Au nanoislandų, pasižymi tinkama rektifikacija ir mažu tamsiosios srovės tankiu (0, 5 pA / µm 2 ). Kai Silicio-AZO sankryžoje susidaro Au nanoislandos, smarkiai padidėja tamsi srovė ir prarandama rektifikacijos savybė. Tai daugiausia lemia rekombinacijos centrai prie Au nanoizlandų įvestos sąsajos ir Au pasklidimas Silicio ir AZO sluoksniuose 25 .

Image

a) Dviejų etaloninių mėginių ir trijų skirtingų fotodetektorių, turinčių „Au nanoislands“, I – V charakteristikos. Skirtingo dydžio nanodalelės susidaro kaitinant plokščią Au sluoksnį skirtingomis temperatūromis: 300 ° C, 450 ° C ir 600 ° C. b) Išmatuoti mėginių fotoreaktyvumo spektrai. AZO nuoroda neturi fotoatsakos, kai λ> 1200 nm. Kiti pavyzdžiai rodo vidinio fotoemulsijos proceso metu fotoatsaką su juostos juosta. Paviršinių plazmonų sužadinimas nanodalelėse žymiai padidina fotoatsaką, naudojant paviršiaus plazmono palaikomą karšto elektronų generavimo mechanizmą.

Visas dydis

Išmatuoti prietaisų fotoatsakomumo spektrai yra pavaizduoti 3 pav. (B). AZO nuoroda turėjo fotoatsaką iki maždaug 1200 nm bangos ilgio, kuris atitinka Silicio juostos kraštą. Au prijungimas prie sankryžos leido absorbuoti foninius juostos fotonus ir generuoti karštą nešiklį. Reikšmingas fotoreaktyvumo padidėjimas pastebėtas, kai Si paviršiuje buvo suformuotos Au nanoizos, palyginti su etaloniniu lygiu Au sluoksniu. Fotoreaktyvumas padidėja dėl lokalios plazmos sužadinimo atsitiktinai suformuotose nanodalelėse 26 . Įrenginys, atkaitintas 450 ° C temperatūroje, turėjo 2 mA / W fotoatsaką esant 1300 nm, o tai yra didžiausias tarp visų šiame tyrime ištirtų prietaisų. Esant ilgesniam bangos ilgiui (λ> 1550 nm), 300 ° C temperatūroje atkaitintas prietaisas turėjo aukščiausią fotoatsaką, nes žemesnėje atkaitinimo temperatūroje susidarė pailgos struktūros, raudonai pakeičiančios plazmono rezonansus.

Diskusija

Buvo atlikti du baigtinių skirtumų laiko srities (FDTD) modeliavimai, skirti apskaičiuoti Au nanostruktūrų silicio absorbcijos spektrus, naudojant skaitmeninius FDTD sprendimus. Mes ištraukėme AZO optines konstantas naudodami JA Woollam Co. Inc. VASE elipsometrą ir panaudojome eksperimentinius duomenis iš literatūros apie Au ir Si 27, 28 . Pirmajame modeliavimo rinkinyje mes ištyrėme identiškų nanodalelių absorbcijos spektrus, periodiškai pasiskirstančius ant silicio substrato, apsupto viršutinio AZO sluoksnio. Periodiškumas buvo pasirinktas kaip 1 000 nm, o imant buvo imituojamos nanodalelės, kurių dydis 80 nm, 90 nm, 100 nm ir 110 nm, stebėti nanodalelių dydžio įtaką absorbcijos spektrui. Nanodalelių absorbcijos spektrai parodo rezonansinį absorbcijos padidėjimą NIR bangos ilgiuose, sužadinant paviršiaus plazmonus. Rezonanso bangos ilgis daro raudoną poslinkį didėjant nanodalelių dydžiui (4 pav. (A)). Antrame modeliavimo rinkinyje mes importavome kiekvieno pagaminto pavyzdžio SEM vaizdą į FDTD programinę įrangą ir apskaičiavome prietaisų absorbcijos spektrus. Bendras įvairių dydžių plazmoninių rezonatorių atsakas, padidinantis plataus diapazono absorbciją. Dėl didėjančio vidutinio dalelių dydžio, tikėtina, kad absorbcijos spektras raudonai pasislinks mažėjant atkaitinimo temperatūrai. Apskaičiuoti absorbcijos profiliai parodo karštų elektronų, susidarančių iš bangos ilgio, susidarymo greitį paviršiaus plazmono skilimo metu. Norint apskaičiuoti prietaisų fotoatsaką, taip pat reikia atsižvelgti į karštų elektronų surinkimo greitį. Tokioje sankryžoje karšti elektronai surenkami vidinio fotoemisijos proceso metu.

Image

a) Įvairių dydžių 10 nm storio pavienių nanodalelių absorbcijos spektrai, apskaičiuoti naudojant FDTD modeliavimą. b) Apskaičiuotos trijų fotodetektorių fotoreaktyvumo kreivės. Fotoreaktyvumo vertės apskaičiuojamos naudojant Fowlerio funkciją, pakoreguotą imituojamais absorbcijos spektrais ( φ B ≈ 0, 7 eV).

Visas dydis

Karšto elektronų surinkimo proceso (vidinio fotoemisijos proceso) kvantinis efektyvumas nurodomas naudojant Fowlerio funkciją 25, 29 :

Image
kur C F yra Fowlerio išmetamųjų teršalų koeficientas, hv yra krintančių fotonų energija, o φ B yra Schottky barjero aukštis. Padauginus Fowler funkciją iš apskaičiuoto prietaisų absorbcijos profilio, gaunamas fotoatsakomumas (darant prielaidą, kad vieningumo kvantinis efektyvumas nėra jokio kito nuo bangos ilgio priklausomo koeficiento) 20 . Rezultatas pridedamas prie eksperimentinio reagavimo duomenų, kad Schottky barjero aukštis būtų maždaug 0, 7 eV, kurio tikimasi tokiose sankryžose 25 . Imituotas mėginių fotoreaktyvumo profilis tiksliai atitinka eksperimentinio reagavimo kreivę. Šis tvirtas susitarimas rodo, kad generavimo ir surinkimo etapus daugiausia kontroliuoja atitinkamai paviršiaus plazmonų skilimas ir vidinis fotoemulsijos procesas.

Pagal dalelių dydžio histogramas (2 pav.), 300 ° C temperatūroje atkaitinto mėginio nanodalelės yra didesnės nei mėginio, atkaitinto esant 450 ° C. Taigi 300 ° C temperatūroje atkaitinto bandinio absorbcijos efektyvumas yra didesnis, kai bangos ilgis ilgesnis, o mažesnis - trumpesnių, bangų ilgio. Taip pat šių dviejų pavyzdžių reagavimo kreivių kryžminio taško (1500 nm), numatytų modeliavimu, gerai suderinti su išmatuotu kryžminio taško. Eksperimentinės ir imituotos fotoreaktyvumo kreivės pavaizduotos atitinkamai 3 (b) ir 4 (b) paveiksluose.

Karštų elektronų surinkimo mechanizmas buvo panaudotas plačiajuosčio NIR fotodetekcijai Si. Išmatuotas prietaisų fotoatsakas tęsiasi iki 2000 nm bangos ilgio. Atsparumas 1, 3 µm ir 1, 55 µm yra atitinkamai 2 mA / W ir 600 µ A / W. Rezultatai yra tokia pati tvarka kaip ir literatūroje pateiktos naujausių siauros juostos plazmoniškai suderintų fotodetektorių maksimalios reaktyvumo vertės 21, 26, 30 .

Koncepcijos įrodymas buvo atliktas nenaudojant jokios aukštos skyros litografijos ar aukštos temperatūros epitaksinio augimo metodo. Plokštuminė įrenginio struktūra ir monolitinės integracijos galimybės su CMOS elektronika daro šiuos įrenginius perspektyvius ypač pigių civilių NIR vaizdavimui didelėse apimties pramonės šakose, tokiose kaip automobilių pramonė ir saugumas, be telekomunikacijų pramonės.

Metodai

(100) n-Si plokštelės, turinčios 2–5 Ω cm varžą, yra naudojamos kaip substratai. Vafliai 5 minutes valomi 4: 1 H2S04: H2O2 tirpale, nuplaunami dejonizuotu vandeniu ir panardinami į buferinę fluorintos fluoro rūgšties (BHF) tirpalą. „Au nanoislands“ buvo suformuotos panašiu būdu kaip ir ref. 31. 10 nm Au sluoksnis buvo uždėtas ant mėginių „Gatan, Inc.“ tiksliame ėsdinimo dengimo sistemoje (PECS). Mėginiai buvo kaitinami skirtingomis temperatūromis 1 minutę, naudojant N2 dujų srautą, naudojant greito terminio atkaitinimo (RTA) sistemą, gaunant atsitiktinai pasiskirsčiusias ir atsitiktinio dydžio Au nanoizlandas Si paviršiuje. Mėginių SEM vaizdai po atkaitinimo žingsnio parodyti 2 pav. 50 nm storio AZO ant bandinių nusodinamas naudojant atominio sluoksnio nusodinimo (ALD) sistemą (Cambridge Nanotech Inc., Savannah S100) 250 ° C temperatūroje su trimetilaluminu ( TMA), dietilcinko (DEZn) ir milli-Q vandens (H 2 O) pirmtakai. 300 μm × 600 μm aktyviojo prietaiso sritys nubrėžtos fotolitografija ir išgraviruotos HNO3 tirpalu. Tirpiklis buvo valomas prieš optinius ir elektrinius matavimus.

Nanoisland dydžio pasiskirstymas matuojamas naudojant „ImageJ“ programinę įrangą. Prietaisų tamsieji IV matavimai buvo atlikti naudojant „KEITHLEY 2401 Sourcemeter“. Fotoreaktyvumo matavimui kiekvienas įtaisas buvo apšviestas lazerio šviesa, gaunama ištisinio tęstinio lazerio šaltinio (Fianium) ir filtruojamas akustiniu-optiniu perdavimo filtru (AOTF - Crystal Tech.). Lazerio spindulys buvo išlygintas ir sufokusuotas į prietaisus, naudojant individualiai sukurtą optinę sąranką. Orientuotas spindulio skersmuo buvo apie 50 µm, o į prietaisus paprastai pateko šviesa. Lazerio šviesa buvo mechaniškai susmulkinta 970 Hz dažniu ir gauta foto srovė buvo nustatyta matuojant įtampą serijiniame rezistoriuje su užrakinamuoju stiprintuvu (SRS830, Stanford Research Systems).

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.