自己組織化誘電体マイクロキャビティアレイによる広帯域およびスペクトル選択的光検出の強化のための光トラッピング工学

はじめに

光検出器（PD）は、応答性を高めるために大きな需要があります。これは、私たちの日常生活における光通信、センシング、イメージングなどの商用アプリケーションにとって実際に重要です。デバイスの活性領域での材料の消滅は、効率的な光吸収と光キャリア生成を可能にするのに十分高くなければならないことはよく知られています[1]。したがって、高度な光トラッピング技術の適用は、さまざまなブロードバンドPDで効率的な光検出を実現するための最も重要なアプローチと見なされてきました[2]。さらに、光検出分野での調整可能な選択的スペクトル応答性またはマルチバンドセンシングに対する新たに高まった要求も、新しい光操作方法を開発する必要があります[3,4,5,6,7,8,9]。

さまざまな光学キャプチャ戦略が開発され、光学デバイスで採用されています。たとえば、ランダムテクスチャインターフェイス[10]や3次元（3D）ナノ構造[11、12、13、14]は、大きな表面積を十分に活用して感度を向上させます。 -体積比とデバイ長。これらの3D光トラッピングナノ構造の中で、低Q共鳴光共振器は、複数の共鳴モードを介して広帯域範囲の光を操作するための最も魅力的な媒体と見なされています[15、16、17、18、19、20、21、22、 23]。主な原理は、球のささやきの回廊モード（WGM）共鳴が、空洞内の光と物質の相互作用を強化したり[16、19、23]、導波モードを介して光を下層基板に結合したりできることです[ 17、20]。その結果、対応するオプトエレクトロニクスデバイスで改善された光電変換効率または光応答を実現することができます[24、25]。波長スケールの共鳴誘電体ナノスフェアを利用することによる薄膜太陽電池における光トラッピングのこの概念は、Grandidierらによって提案されました。活性層での光吸収とデバイスでのさらなる光電流を高めることを目的としています[15]。さらに、大幅に強化された光吸収と電力変換効率は、Cuiらによって十分に実証されています。 [16]。可視光領域で複数の低QWGM共鳴を含む自己組織化誘電体中空ナノスフェアも、以前の研究[17]で、薄膜太陽電池の効果的な光トラッピングと短絡電流密度の改善について実証されています。理論的には、従来使用されている光学フィルム技術とは異なり、この種の多重共振は、特定の波長操作または広帯域光トラッピング強化に向けたPDでのアプリケーションで可能であるはずですが、まだ調査されていません。

この作業では、3Dナノ構造誘電体マイクロキャビティアレイ（MCA）が、シリコンベースのPDのブロードバンドおよび特定のスペクトル領域での光トラッピングエンジニアリングのために導入されました。ここでは、ワイドバンドギャップ半導体ZnOがキャビティ材料として選択されました。これは、さまざまな物理的または化学的方法で簡単に調製できます[26、27、28]。中空の球状ZnOキャビティは、自己組織化PSナノスフェアアレイをテンプレートとして使用し、以前の研究[29]で報告されているように物理的堆積と熱アニーリングを組み合わせて製造されました。重要な広帯域光トラッピングは、理論計算によってWGM共鳴に起因することが証明された最適化されたZnOキャビティで特徴づけられました。したがって、広帯域光検出の強化は、ZnOMCAで装飾されたPDで達成されました。一方、複数のWGM共鳴、特にMCAの漏れモードのために、特定の波長領域での局所的な光学密度と有効吸収がシリコンPDの活性層で促進されました。その結果、ブロードバンドの応答性の向上に加えて、0 Vのバイアスの下で特定の波長領域（800〜940 nm）での感光性の最大25％の増加が成功裏に達成されました。この研究で実証されたPDの光管理にWGMで強化された吸収を採用することで、効率的な光起電や発光ダイオード（LED）などの他のオプトエレクトロニクスデバイスのさまざまなアプリケーションへの扉が開かれます。

結果と考察

ZnO MCAで装飾されたPINシリコンPDのデバイス構造の断面図と上面図を、それぞれ図1aとbに模式的に示します。ここでは、PIN PDの（追加ファイル1：図S1）の実験の詳細と製造プロセスを参照して、530nm-PSナノスフェアをテンプレートとして使用した場合の実際のコア直径が470nmの製造されたままのZnOMCAを示します。図1cに示すように、六角形の最密パックを備えた単層配置で適切に順序付けられています。基板との接触領域を除いて、空洞の許容可能な球形は、図1dおよび追加ファイル1：図S2aの断面およびタイトル付きSEM画像でよく認識できます。滑らかな内面は、追加ファイル1：図S2bに示すように、この光共振器の内部形態でも視覚化できます。これは、空洞構造で共鳴する光に当然のことながら有益です。実際のシェルの厚さ（ T _シェル ）空洞内は〜40 nmと測定されました（追加ファイル1：図S2b）。さらに、追加ファイル1：図S3aに示すように、PIN基板上に大規模に製造されたZnO MCAアレイに明確な回折色が見られます。これは、ブラッグを満たす特定の角度で発生したZnOMCA層の回折効果に由来します。式[30]。空洞パラメータ（直径や厚さなど）が光の波長と一致すると、ささやきの回廊モード（WGM）の共振が発生することはよく知られています。したがって、この種のMCAで装飾されたPIN PDでは、光の閉じ込めと、漏れモードによるPDのアクティブ層への結合[30]と、その結果としてのデバイスの光トラッピングの強化が期待できます。

a の概略図 ZnOMCAはPINPDと b を装飾しました PINデバイスの上面図。 c 、 d PINPD上の製造されたままのZnOMCAの平面および断面SEM画像

製造されたZnOMCAの光閉じ込めおよびトラップ特性を検証するために、図2aおよびbに示すように、FDTDでシミュレートされたサファイア基板上のZnO MCAの透過スペクトルを最初に調べ、実験結果と比較しました。 。シミュレートされた透過スペクトルでは、415、495、547、および650nmの波長でいくつかの識別された谷を十分に解決できます。 ZnOの固有のバンドエッジ吸収のため、波長が380nmより短いUV領域では共振は発生しませんでした。間違いなく、透過スペクトルのこれらの谷は、ZnO MCAでサポートされている一連のWGM共鳴に由来し、追加ファイル1：図S4に示すように、各共鳴ピークの下の対応する近接場分布パターンによって十分に識別できます。図2aの挿入図には、650nm付近の2次WGM共鳴の典型的な共鳴パターンが選択的に示されています。強化された電界分布は、キャビティの周囲で明確に解決されました。これは、リーキーモード[31]として知られており、その後、デバイスの下にあるアクティブ層に放射される光に有利になります。実験的な透過スペクトルは、図2bに示すように、416、492、545、および637 nmでの波長ピークのわずかなシフトを除いて、対応する共振波長でシミュレートされたものとよく一致します。 MCAでのこれらのWGM共鳴は、入射光の広角散乱[32]を生成し、共鳴波長付近の透過スペクトルに谷として現れます。

a 理論的および b サファイア基板上のMCAの実験的透過スペクトル。 c 、 d 裸のシリコン上のMCAと比較したシリコン基板上のMCAの理論的および実験的な反射スペクトル。 e オンレゾナンス（660 nm）およびオフレゾナンス（840 nm）の光励起下でのMCA装飾がある場合とない場合のシリコン基板の吸収プロファイル

ZnO MCAで装飾されたSi基板に対するこの散乱効果は、図2cに示すように、シミュレートされた反射スペクトルによっても十分に証明できます。ここでは、透過スペクトルに示されている共鳴谷とよく一致する一連のピークを見つけることができます[33]。さらに、裸のシリコンと比較した場合、MCAで装飾されたシリコン基板上で広帯域反射防止効果が首尾よく達成されることが見出された。 ZnO MCAで装飾されたシリコン基板の実験的な反射スペクトル（図2d）も、非反射によって引き起こされる可能性のあるはるかに低い共鳴品質（Q）を除いて、理論結果と同様の反射防止効果と共鳴ピークを示しています。理想的な球状構造と実験的に準備されたMCA内に存在する欠陥。ただし、この共振品質の低下は、短波長領域（<550 nm）での反射防止にさらに役立つ可能性があります。これは、前の研究で証明されているように、対応するデバイスでの広帯域光トラップに非常に役立ちます[16、34 ]。

裸のシリコン表面からの反射と比較すると、MCAで装飾されたシリコンからの理論的および実験的反射スペクトルの両方が、漏れモードを利用することにより、サポートされた一連のWGM共鳴を光トラッピングに使用できることを十分に示しました。ただし、興味深いことに、ほとんどの反射の減少は、オンレゾナンスのピークではなく、オフレゾナンス領域で発生したことは注目に値します。さらなるシミュレーションにより、MCAコーティングされたシリコン基板では、裸のシリコンと比較して、オフレゾナンスバンド（840 nm）で強力な吸収増強が正常に実現できる一方で、オンレゾナンスでははるかに低い吸収プロファイルが得られることがよく示されました。図2eに示すように、照明（660 nm）（詳細なシミュレーション設定は追加ファイル1：図S5に示されています）。この結果は、WGM共鳴、特にいくつかの特別な波長位置での高品質係数を伴う共鳴も、光を散乱して戻す可能性があることを示唆しています[35]。これは、光トラッピングの強化には不利です。追加ファイル1に示されている抽出されたニアファイル分布：図S6は、共鳴によって大量の光パワーが散乱され、活性層の吸収プロファイルが低下していることを示しています。共鳴波長照明。

次に、シリコンPIN PD上の光トラッピングMCA層の機能を、デバイスの光応答を特性評価することによって評価しました。図3aの典型的なI–V応答に示されているように、満足のいくフォトダイオード特性は、暗い条件と明るい照明の両方で、製造されたままのシリコンPINPDデバイスで検証されました。重要なことに、MCAの装飾により、850 nmの光照射下での唯一のシリコンPINPDと比較して、PDで最大25％の強化された光応答を実現できます（図3bを参照）。図3cに示すように、波長に依存する光応答性は、デバイスのMCAを装飾した後、可視および近赤外（IR）領域のほぼ全体にわたってブロードバンドスペクトル内で劇的に強化された光応答を示します。増強率が計算され、図3dに示されています。 625〜695 nmの波長領域内でのみ、中心の谷が〜660 nmに位置し、増強がなく、2次（ n ）とよく一致していることがわかります。 =2）図2bの透過スペクトル（共鳴領域）に見られるWGM共鳴（〜640 nmでのピーク波長）。シリコンPDで主に使用される近赤外線（IR）領域（〜800〜〜980 nm）内で、応答性が最大〜17％向上することは明らかです。偶然にも、この波長領域は、前述のようにオフレゾナンス領域にもあります。この結果は、図2eに示すように、オンレゾナンス照明では吸収の向上が得られず、オフレゾナンス領域で明らかに向上した吸収が発生する可能性があるシミュレーション結果とよく一致していました。ただし、短波長領域（<600 nm）では、吸収と光応答の大幅な向上が得られます。これは、図に示すシリコン上のMCAの顕著な反射防止特性とよく一致します。 。2d。上で説明したように、この領域内の空洞の実際の非常に低い共振品質が、オンレゾナンスまたはオフレゾナンスとは独立した広帯域光トラッピングの主な理由であるはずです。

a 暗い照明と明るい照明（850 nm LED、1.2 mW cm ^-2 ）下で製造されたシリコンPIN PDの電流-電圧（IV）曲線 ）。 b 850 nmLEDライト照明と c での電流応答の比較 MCAの装飾がある場合とない場合（制御）のデバイスの波長依存の光応答性。挿入図には、短波長領域（<380 nm）での部分的な拡大が示されています。 d c から計算された対応する増強率 、オンレゾナンス（ R _on ）およびオフレゾナンス（ R _オフ ）領域は、背景でそれぞれ明るい赤と明るい緑としてマークされた反射スペクトルを指します

上記の結果は、WGMマイクロキャビティを介した光トラッピング特性が、キャビティのパラメータに依存する共振品質に大きく関係していることをよく示しています。上記の増強メカニズムをさらに検証し、通信またはセンシングのために検出する広く使用されている近赤外線（IR）領域など、特定の波長領域のデバイスの応答性増強を操作するために、MCAのWGM共振を制御することによって調整しました。キャビティのサイズ。本研究で採用したシェル構造キャビティは、シェル層を厚くすることで有効光学長を容易に伸ばすことができます[36]。図4aに示すように、シェルの厚さを60 nmに増やすことにより、MCAの透過スペクトルではるかに多くの共振モードが観察されました。これらの共振モードは、追加ファイル1：図S7に示すように、理論シミュレーションによって対応するWGM共振に割り当てることもできます。シェルの厚さが40nmのMCAと比較すると（図2b）、同じ共振モードでは、有効な空洞の長さが長くなるため、理解できる赤方偏移が見られます。図4bの実験的な反射スペクトルも、透過スペクトルとよく一致しました。図2dに示すシェルの厚さが40nmのMCAの実験的な反射スペクトルとは異なり、実際の共鳴はより識別可能であり、共鳴品質が高いことを示しています。つまり、後方散乱効果が強く、光に有利ではない可能性があります。トラッピング。波長依存の応答曲線を図4dに示します。この推論は、特定の波長領域での応答性が向上し、他のいくつかの領域では低下していることを示しています。図4dから、ほとんどが強調された領域は、オンレゾナンス領域にある領域をデクリメントしながら、オフレゾナンス領域で一貫して発生したことがわかります。さらに、シェルの厚さが40 nmのMCAで装飾されたPD（図3dに表示）と比較して、800〜980 nmの領域内ではるかに高い応答性の向上が達成されました。これは、主にシリコンPDの通信とセンシングで使用されます。図4dに示すように、820 nmの波長で最大25％の増強を達成できます。このはるかに強力な強化は、MCAの2次WGMのより高い共振品質に起因するはずであり、この波長領域でのWGM共振のリークモードによるより高い光トラップ効果につながります。この波長領域でのはるかに低い反射強度は、シェルの厚さが40 nmのMCAの図2dの反射スペクトルと比較すると、図4bに示すように、光トラップのこの大幅な向上と応答性を十分に説明しています。 。さらに、この機能強化は主にオフレゾナンス領域でも発生しました。

a シェルの厚さが60nmのサファイア基板上のMCAの実験的な透過スペクトル。 b 裸のシリコン基板と比較した、シリコン基板上のMCAの対応する反射スペクトル。 c 850 nmのLED光照明下でのMCAの装飾の有無にかかわらず、デバイスの光応答性。 d c から計算された対応する増強率 。 b のオンレゾナンスおよびオフレゾナンス領域内の背景 および d b の反射スペクトルを参照 それぞれ明るい赤と明るい緑で強調表示されました

図4dに示すように〜640〜710 nmのオンレゾナンス領域（背景は明るい赤でマークされています）では、このレゾナンスモードの高いレゾナンス品質によって引き起こされる後方散乱効果により、明らかに応答性が低下しました。上記のように。シェルの厚さが40nmのMCAと同様に、短波長領域（<500 nm）でも強力な増強を実現できます。これは、共振品質がはるかに低く、反射防止効果が高いためと考えられます。光トラッピングエンジニアリングによるこれらの強化の安定性パフォーマンスは、周囲空気に1年間保存された同じデバイスの光応答を調べることによってさらに評価されました。これは、下のコントロールと比較して、電流応答の減衰がほとんどないことを示しています。追加ファイル1：図S8に見られるのと同じテスト条件。

結論

結論として、ZnOマイクロキャビティアレイ（MCA）で生成された複数のWGM共鳴を利用することにより、光検出器（PD）の広帯域および特定の波長領域内での光吸収を改善するための新しい戦略が提案されました。シリコンベースのPINPDに簡単に準備された誘電体マイクロキャビティアレイ（MCA）を装飾することで、紫外可視近赤外（300〜1000 nm）領域のほぼ全体をカバーする広帯域光トラッピングと光応答性の向上を実現しました。 。理論的および実験的結果は、オフレゾナンス領域で最も効果的に機能するWGMレゾナンスのリーキーモード放射が、光トラッピングの主な増強メカニズムであることを示しました。キャビティのシェルの厚さを増やすことでWGMの共鳴ピークと共鳴品質をさらに操作することで、特定の光トラップと応答性の向上が、主に使用される通信およびセンシング領域（800〜980 nm）で達成され、最大で最大25％の改善が見られました。 820nmで。この作業は、WGM共振誘電体キャビティアレイのリークモードを導入することにより、光トラップを改善し、光検出用の広帯域または選択スペクトルとの応答性を改善するための低コストで優れた互換性のある方法をよく示しています。この作業で採用された光操作アプローチは、オプトエレクトロニクスデバイスの特定の波長範囲内での新しいアプリケーションを容易にするためのマイクロおよびナノマテリアルアーキテクチャを設計するための重要なガイドを提供します。

メソッド/実験

PINPDデバイスの製造プロセス

PIN PDは、WaferHome [37]から購入した厚さ200μmのp型（100）シリコン基板上に、抵抗率0.001Ωcmで製造されました。基板上に厚さ20μmの真性層をエピタキシャル成長させた。次に、1×10 ¹⁶ の注入線量でのn型リンイオン注入 cm ⁻² そして、160 keVのエネルギーが真性層で実行され、最終的なPINデバイス構造が形成されました。 MCA構造を装飾する前に、PINウェーハを標準的に洗浄して、表面に残っている有機物と金属イオンを除去しました。最後に、チップ製造プロセスは、2.8mm×2.8mmの設計された感光領域で実行されました。 n型表面に直径160μmの厚さ100nmのアルミニウム電極と、裏面に5nmのTi結合層を備えた厚さ50nmのAu膜をスパッタリング蒸着しました（Explorer-14、Denton Vacuum ）金属オーミックコンタクトを形成します。

ZnOMCA層の製造プロセス

ZnO MCAは、ポリスチレン（PS）ナノスフェアをテンプレートとして使用して生成され、続いてZnO膜のスパッタリング堆積が行われ、PSナノスフェアは最終的に熱アニーリングによって除去されました[29]。 Nanomicro（Suzhou Nanomicro Technology Co.、Ltd。）から購入した直径530 nmの市販のPSナノスフェアを、ZnOマイクロキャビティアレイを製造するためのテンプレート材料として使用しました。さまざまな厚さ（〜40および〜60 nm）のZnO薄膜のシェルは、さまざまな堆積時間を調整することによって制御されました。

特性

形態と構造は、日立S-4800電界放出走査型電子顕微鏡（FE-SEM）によって特徴づけられました。実験的な透過および反射スペクトルデータは、Varian Cary 5000UV-Vis-NIR分光光度計によって収集されました。デバイスの光電流およびIV特性は、室温プローブステーションとLED光源を備えた電気化学ワークステーション（CHI660D）で測定されました。 0バイアス下のデバイスの外部量子効率（EQE）は、光源（Newport、66,920）とモノクロメーター（Cornerstone 260、Newport）を備えた光パワーメーター（Newport、2936-R）を使用して測定されました。シミュレートされた透過/反射スペクトルと近接場分布は、FDTDシミュレーションパッケージ（FDTD Solutions、LumericalInc。）によって抽出されました。

データと資料の可用性

この調査中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された記事とその補足情報ファイルに含まれています。

略語

3D：

三次元

EQE：

外部量子効率

IR：

赤外線

IV：

電流-電圧

MCA：

マイクロキャビティアレイ

PD：

光検出器

PIN：

ポジティブ-イントリンシック-ネガティブ

PS：

ポリスチレン

R _オフ ：

オフレゾナンス

R _on ：

オンレゾナンス

T _シェル ：

シェルの厚さ

WGM：

ささやきの回廊モード