با تعبیه نانو ذرات در ناحیه جذب

Transcript

1 بهینهسازی عملکردآشکارسازهای نور فلز نیمه هادی- فلز MSM با تعبیه نانو ذرات در ناحیه جذب مهسا نقیپور گروه برق دانشگاه آزاد اسالمی واحد علوم و تحقیقات آذربایجان شرقی نام ارائه دهنده : مهسا نقی پور چکیده پیش بینی ما و نتایج عددی بدست آمده جذب باال ترکیب پالسمایی مبتنی بر آشکارساز نور فلز_نیمه هادی_فلز را که شامل فلز نانوگریتینگ و نانو ذرات فلزی تعبیه شده است را نشان می دهد. نتایج حاصل از شبیه سازی با استفاده از نرم افزار شبیه سازی FDTD نشان می دهد با استفاده از بهینه سازی پارامترهای فلز نانوگریتینگ و نانو ذرات فلزی تعبیه شده افزایش در میدان الکتریکی بدست آمده که منجر به افزایش جذب در مقایسه با ساختار متعارف آشکارساز فلز_نیمه هادی_فلز است.این افزایش جذب در نتیجه توانایی نانو ذرات فلزی تعبیه شده به منظور افزایش جذب نوری و خواص پراکندگی از طریق رزنانس نور تحریک شده بوسیله هدایت الکترون ها ازنانوذرات فلزی است. 1.مقدمه آشکارسازهای نوری فلز - نیمه هادی- فلز یک دسته از آشکارسازهای نوری میباشد. مشخصات این آشکارسازها با پیشرفت علم پالسمونیک بهبود یافت. از جمله این مشخصات میتوان به حساسیت باالتر راندمان بیشتر و بهبود ضریب جذب نوری باالتر اشاره کرد. در این ساختارها با استفاده از توریهای پراش فلزی و نانو ذرات سعی شده است تا پارامترهای آشکارساز بهینه گردد. علم پالسمونیک بستر مناسبی را برای ساخت آشکارسازهایی با ابعاد بسیار کوچک فراهم کرد این موضوع روند حرکت به سمت مدارات مجتمع نوری را سرعت بخشیده است. امروزه پالسمونیک در زمینههای مختلف ادوات نوری و الکترونیکی کاربردهای گستردهای دارد. در این قسمت به بررسی چند نمونه از کارهای انجام شده در زمینه کاربرد پالسمونیک در آشکارسازهای نوری پرداخته میشود. در سال 4002 نشان داده شد که با قرار دادن یک الیه نیمه هادی جاذب نور در حد نانو بین دو الکترود با فاصله کم میتوان به یک آشکارساز MSM با راندمان بیش از %00 و فرکانس قطع بزرگتر از 000GHz دست یافت. ]4[ در این ساختار از رشتههای نیمههادی در حد نانو بین رشتههای فلزی با سطح مقطع کوچکتر از 8/λ فرکانس قطع 000 GHz استفاده شده است. نتایج به دست آمده نشان داد که میتوان به صورت تئوری به راندمان %50 و دست یافت. این ساختار برای طول موج 000nm طراحی شده است. 1

2 در سال 4002 از خاصیت پالسمونهای سطحی برای افزایش نسبت سیگنال به نویز یک آشکارساز نوری در فرکانسهای مادون قرمز میانی از طریق بهبود جذب استفاده شد ]0[. این آشکارساز برای طول موج 9/0µm طراحی شده است. نتایج نشان میدهد که با ساختار ارائه شده تا 400 برابر بهبود جذب در واحد حجم ماده نیمه هادی نسبت به آشکارسازهای متداول در طول موج مشابه حاصل شده است. در سال 4005 یک طراحی بهینه برای MSM-PDهایی با الکترودهای شانهای با ابعاد زیر طول موج ارائه داده شد ]0[ که در آن از یک چاه کوانتومی GaInNAs تنها به عنوان الیه جذب کننده استفاده شد تحریک SPها در مرز نیمه هادی و فلز باعث بهبود قدرت میدان در نزدیکی الکترودها شده و به تبع آن باعث افزایش جذب در QW میشود. در سال 4000 یک ساختار توری پراش دایرهای برای بهبود نسبت سیگنال به نویز یک آشکارساز مادون قرمز پیشنهاد داده شد ]1[. شبیه سازیها نشان داد که نسبت سیگنال به نویز در این ساختار تا 0/4 برابر بهبود مییاید در حالی که برای توری پراش خطی حداکثر 1/5 برابر بهبود حاصل میشود. در سال 4010 یک ساختار آشکارساز MSM با توری پراش فلزی پیشنهاد داده شد ]0[. تشعشعات SPP به وجود آمده در مرز نیمه هادی و فلز توری پراش شده باعث میشود تا ضریب جذب نسبت به MSMهایی با روزنه زیر طول موج و بدون توری پراش فلزی 12 برابر بهبود پیدا کند. برای بهبود بیشتر ضریب جذب درسال 2212 یک ساختار MSM پالسمونیک با دو الیه توری پراش مانند پیشنهاد داده شد ]7[. نتایج ارائه شده نشان داد که ضریب جذب نسبت به ساختار MSM با روزنه زیر طول موج و بدون توری پراش 22 برابر بهبود پیدا کرده است. در سال 2212 پیشنهاد داده شد که به جای استفاده از ساختار توری پراش دو تایی از یک ساختار استفاده شود که در آن به جای استفاده از الیه توری پراش دوم از نانو ذرات استفاده شده است ]6[. تشعشعات پالسمونیک در این NPها باعث بهبود بیشتر ضریب جذب میشود. نتایج ارائه شده نشان داد که ضریب جذب نسبت به MSMهای معمولی 22 برابر و نسبت به MSM یافته است. نانو ذرات مورد استفاده نانو ذرات طال و نقره میباشند که نانو ذرات نقره ضریب جذب باالتری دارند. با نانو توری پراش فلزی و روزنه زیر طول موج 2/2 برابر بهبود 2.فلزات نانوگریتینگ پالسمایی فلزات نانوگریتینگ که در ساختارهای آشکارساز MSM اجرا شده برای عمل به عنوان میکرولنزهایی که نور را به شکاف زیر طول موج متمرکز کرده و محدود می کند به کار میرود در نتیجه باعث کاهش تلفات قابل توجهی از تلفات ناشی از بازگشت نور می شود. شبیه سازیهای دقیق و مطالعات انجام شده درسطح پالسمون پالریشن) SPP ( انتشار در ساختارهای MSM PD انجام شده نشان دهنده بهبود بسیار قابل توجهی در انتقال و جذب نور است. به تازگی بهینه سازی ساختارهای MSM PD موفق آمیزساخته شده است که نشان دهنده افزایش چند برابر جذب می باشد. ما ساختارهای MSM PD مرکب از فلزات نانوگریتینگ در سطح موضع رزنانس پالسمون )LSPR( که شامل نانو ذرات فلزی است را پیشنهاد میکنیم و ساختارهای مورد نظر را با استفاده از نرم افزار شبیه سازی تفاوت محدود حوزه زمان )FDTD( شبیه سازی می کنیم. نتایج شبیه سازی نشان میدهد که این ساختار MSM PD منجر به افزایش جذب چند برابر در مقایسه با ساختار MSM متداول میشود. این افزایش جذب عمدتا به دلیل تشدید تحریک نور ناشی از الکترون های هدایت نانو ذرات تعبیه شده است. 2

3 1- ساختار MSM PD معمولی- 2 - ساختارPD MSM پالسمونیک بهینه شده 3.ساختار MSM PD پالسمونیک شکل 1 ساختار MSM PD معمولی را نشان می دهد. شکل 4 ساختار MSM PD پالسمونیک که یک فلز نانوگریتینگ به کار گرفته و در آن نانوذرات فلزی تعبیه شده را نشان میدهد. ناحیه جذب MSM PD پالسمایی میتواند با استفاده از نانو ذرات فلزی تعبیه شده در سطح نیمه هادی افزایش یابد. اثبات شده که الکترونهای هدایت از نانو ذرات فلزی رزنانس نور تحریک شده القا میکند که باعث افزایش جذب نوری میشود. این پدیده به عنوان سطح موضعی رزنانس پالسمون )LSPR( شناخته شده است. هر چند که LSPR به اندازه شکل و ضریب شکست نانو ذرات فلزی حساس است. بیان میشود: با اتخاذ مدل دو قطبی معمولی فاکتور جذب و پراکندگی از مقطع نانو ذرات با داشتن قطر بسیار کمتر از طول موج نور فرودی به صورت زیر C abs = 2π λ Im(α) C sca = 1 6π (2π λ )4 α 2 α = 3V ε p ε sm ε p +ε sm )1( )4( )0( V: مقدارذره ɛ p : ضریب دی الکتریک ذرات : ε sm ضریب دی الکتریک محیط اطراف 4. شبیه سازی FDTD ساختار دو بعدی MSM PD پالسمونیک با استفاده از نرم افزار FDTD شبیه سازی شده است. در طراحی ضرایب شکست طال و نقره m ε از مدل Lorentz Drude نشان داده شد درحالی که برای GaAs و e 2 i Ge ε sub و 298i به ترتیب فرض شد. در طول شبیه سازی پارامترهای مختلف در آشکارساز نظیر جنس ماده بستر شعاع نانو ذرات نوع نانو ذرات و جنس فلز نانو گریتینگ جنس الکترودهای فلزی برای افزایش حداکثر جذب بهبود یافتند. 2

4 فاکتورهای افزایش جذب به صورت نسبت توان جذب شده نرمالیزه در ناحیه فعال از ساختار MSMPD پالسمونیک به توان جذب شده نرمالیزه در ناحیه مشابه از ساختار MSM PD متداول بدون ذرات نانو یا فلز نانوگریتینگ است. 5. نتیجه و بحث 1-5. نانو ذرات فلزی تعبیه شده نانو ذرات فلزی تعبیه شده در الیه نیمه هادی جذب نور حول پالسمون LSPR را افزایش میدهد. انتخاب نوع ذرات نانو اندازه شکل و همچنین نوع مواد میزبان در باال بردن افزایش جذب ناشی از LSPR بسیار مهم است بررسی تأثیر ماده میزبان درافزایش جذب شکلهای زیر پهنای طیفی شبیه سازی شده از ساختار MSM PD پالسمونیک با ذرات نانو طال و نقره که داخل مواد میزبان Si و SiO 2 و Ge تعبیه شده را نشان میدهد. شکلهای 0 و 2 و 0 نتایج شبیه سازی شده از میزان توان جذب شده برای نانو ذره طال را بر روی مواد میزبان مورد بررسی را نشان میدهد. نتایج بدست آمده به صورت زیر میباشند: شکل 3 و 4- فاکتور افزایش جذب برای نانو ذره طال روی ماده میزبان Si و Ge شکل 5- فاکتور افزایش جذب برای نانوذره طال برروی ماده میزبان SiO2 شکلهای 2 و 5 و 0 نتایج شبیه سازی شده از میزان توان جذب شده برای نانو ذره نقره را بر روی مواد میزبان مورد بررسی را نشان می دهد. نتایج بدست آمده به صورت زیر می باشند: 4

5 شکل 2 و 5- فاکتور افزایش جذب برای نانو ذره نقره روی ماده میزبان Si و Ge شکل 8 - فاکتور افزایش جذب برای نانو ذره نقره روی ماده میزبان SiO بررسی تأثیر شعاع نانوذرات در افزایش جذب فوتون ورودی تاثیر شعاع نانوذرات برای بررسی افزایش توان جذب شده در شکل های زیر نشان داده شده است. شکل 9- فاکتور افزایش جذب برای شعاع 40 nm شکل 11- فاکتور افزایش جذب برای شعاع 50 nm 2

6 شکل 11- فاکتور افزایش جذب برای شعاع 01 nm از روی شکلها فهمیده میشود که شعاع نانو ذرات تاثیر مهمی در افزایش جذب ساختار MSM PD پالسمونیک دارد. وقتی شعاع نانو ذرات فلزی افزایش مییابد ضریب جذب زیاد میشود. این افزایش در سطح کلی از نانو ذرات فلزی واسط در محیط میزبان نسبت داده شده است. آن مهم است که توجه داشته باشید با این حال که افزایش شعاع نانوذرات فلزی وسیعتر میشود طیف افزایش جذب نور تحریک ناشی از تشدید نور شبیه سازی شده توسط الکترون های هدایت نانو ذرات فلزی ایجاد میشود. این پهنای باند طیفی گسترش به یک نقطه اشباع میرسد که منجر به ظهور قله رزنانس همان طور که در شکل نشان داده شده میشود بررسی توزیع میدان الکتریکی را نشان میدهد. شکل 14 توزیع میدان الکتریکی شبیه سازی شده برای MSM PD پالسمونیک متداول و ساختار MSM PD پالسمونیک حاوی ذرات نانو شکل 12- a (توزیع میدان الکتریکی شبیه سازی شده برای MSM PD متداول b (توزیع میدان الکتریکی شبیه سازی شده برای ساختار MSM PD پالسمونیک حاوی نانوذرات مهم است که به آرایش موج SPP درطول فلز گریتینگ و نفوذ میدان الکتریکی درون سطح GaAs از ساختار MSM PD پالسمونیک توجه داشته باشید. هر چند این موج SPP فقط در بیرون از شکاف زیر طول موج متمرکز شده و در طول انتشار آن از شکاف زیر طول موج به طور نمایی کاهش مییابد. شکل بعدی آشکار میکند که تشدید نور شبیه سازی شده با وجود نانو ذرات نفوذ میدان الکتریکی درسطح MSM PD پالسمونیک را توسعه میدهد. جذب درون سطح و با وجود نانو ذرات و مواد میزبان مخصوصا افزایش مییابد برای این که پارامترهای پراکندگی از نانو ذرات فلزی در طول مسیر انتشار به وسیله نور ورودی به سطح مورد آزمایش قرار می گیرد. 6

7 از جمله پارامترهای مهم آشکارساز نور MSM بازده کوانتومی و پاسخدهی آشکار ساز میباشد. بازده کوانتومی به صورت نسبت تعداد جفت الکترون- حفره تولید شده به تعداد فوتون ورودی میباشد. شکل زیر بازده کوانتومی به دست آمده برای ساختار آشکارسازپالسمونیک بهینه شده با استفاده از نرمافزار شبیه سازی را شان میدهد. شکل 13 - بازده کوانتومی برای ساختارآشکارساز پالسمونیک بهینه شده همان گونه که مشخص است در طول موج کاری nm( ( با افزایش طول موج که منجر به افزایش جذب فوتونهای ورودی و در نتیجه افزایش تولید حامل میشود بازده کوانتومی نیز افزایش مییابد و در طول موج 1600nm بازده به حدود %80 میرسد. که این مقدار بازده نشان دهنده بهبود قابل توجهی در افزایش جذب فوتون میباشد که مطلوب ماست. بهبود در بازده کوانتومی شاید یک فاکتور کلیدی در بهبود پارامترهای آشکارساز باشد. اثرات ناشی از جذب طول موج در نیمه هادی بالک و اثرات پراش به شدت از بازده جذب در ساختارهای نیمه هادی حساس به نور میکاهد. بنابراین آشکارسازهای متداول در معاوضه بین سرعت و بازده کوانتومی هستند. بازده کوانتومی توسط باز ترکیب غیر نور گسیل از حاملهای تولید شده از نور در بهترین حالت به اندازه %10 کاهش مییابد. دستیابی به بازده کوانتومی بیش از %00 با فرکانس قطع باالتر از 300GHz نیاز به راه حلهای جدید برای بهبود جذب در ساختارهای با خازن کوچک در مقیاس نانو دارد. MSMهای متداول از الکترودهای جداگانه که روی سطح نیمه هادی جاذب رشد داده شده تشکیل شدهاند. ساختارMSMPD سرعت باال با کاهش فاصله انگشتان ایجاد میشود. اما بازده کوانتومی به طور چشمگیری به خاطر بهبود الکترودهای فلزی افزایش مییابد. شبکه به عنوان یک آینه با برگشت باال عمل کرده منجر به کوپلینگ موثر از نور ورودی با کاواک و بازده جذب باال میشود. ساختار MSMPD در این تحقیق تجزیه تحلیل شده و تالش شده به وسیله نانو ذرات بهبود یابد چون باعث جذب بیشتر نور و تولید جفت الکترون حفره میشود. 0. نتیجه گیری هست. در این تحقیق هدف طراحی و مدلسازی یک آشکارساز نور فلز- نیمه هادی- فلز سرعت باال حاوی نانو ذرات به منظور افزایش جذب نور به این منظور ساختار MSMPD پالسمونیک بهبود یافته حول تابش یک موج الکترومغناطیسی بوسیله نرمافزار شبیه سازی FDTD شبیه- سازی شدند. انتقال موج حول ساختارهای متفاوت برای نشان دادن اینکه کدام ساختار دارای افزایش جذب بیشتری است مورد مطالعه قرار گرفت دن در طول شبیهسازی پارامترهای مختلف در آشکارساز نظیر شعاع نانوذرات )NPs-D( نوع نانو ذرات و جنس فلز نانو گریتینگ برای تعبیه نانو ذرات و پارامترهای دیگر به منظور افزایش حداکثر جذب بهبود یافتند. 7

8 توزیع میدان الکتریکی شبیهسازی شده برای MSMPD پالسمونیک و متداول هم مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و نتیجه گرفته شد که تشدید نور شبیهسازی شده با وجود نانو ذرات نفوذ میدان الکتریکی را توسعه میدهد در حالی که در صورت نبود نانو ذرات میدان الکتریکی نفوذ کمتری دارد. نتایج شبیهسازی نشان دادند که تعبیه نانو ذرات باعث افزایش جذب نور میشود و از میان نانو ذرات فلزی نانو ذره نقره نسبت به طال دارای افزایش جذب بیشتری میباشد. عالوه بر نانو ذرات فلزی مواد میزبان هم که برای تعبیه طال و نقره بکار میروند تغییر داده شدند نتایج شبیهسازی نشان دادند که Si و Ge مواد میزبان مناسبی برای تعبیه طال و نقره هستند که رزنانس پالسمون سطحی )LSPR( به وسیله الکترونهای هدایت نانو ذرات فلزی تعبیه شده ایجاد میکند. از بین Ge و Si هم Si به عنوان یکی از بهترین مواد برای رسیدن به بازده باال شناخته شده است. این با توجه به پهنای جذبی قوی است که از نتایج شبیهسازی بدست میآید. بهبود پارامترهای ساختارMSMPD پالسمونیک افزایش جذب قابل توجهی در مقایسه با ساختار MSMPD متداول را نشان میدهد. این با توجه به توانایی نانو ذرات فلزی تعبیه شده برای افزایش جذب نوری و خواص پراکندگی حول رزنانس نور شبیهسازی شده است که بوسیله الکترون- های هدایت نانو ذرات فلزی ایجاد میشود. منابع [1] Bhat R. D. R,and,, N. C Panoiu., Brueck, S. R. J., and Osgood, R. M.,2008. Enhancing the signal -to-noise ratio of an infrared photodetector with a circular metal grating, Optics Express, vol.16, no.7, pp [2] Collin, S, Pardo, F., Teissier, R., and Pelouard, J.L.2004 Efficient light absorption in metal-semiconductor-metal nanostructures, Appl. Phys. Lett., vol.)2(22. [2] Collin, S., Pardo, F., Teissier, R., and Pelourad, J.2224 Efficient light,absorption in metal-semiconductor-metal nanostructures, Applied Physics Letters vol. 85, no. 2, pp [4] Das, N., Karar, A., Tan, C. L., Alameh, K., and Lee, Y. T.2211 Impact of Nanograting Phase-Shift on Light Absorption Enhancement in Plasmonics-Based.Metal-Semiconductor-Metal Photodetectors, Advances in Optical Technologies, vol )224222( [5] Hetterich, J., Bstian, Gippius, G., N. A., Tikhodeev, S. G., Plessen, G. von, and Lemmer, U.,.2007 Optimized Design of Plasmonic MSM Photodetector, IEEE 2

9 Journal of Quantum Electronics, vol. 43, no. 10, pp [6] Tan, C. L., Karar, A., Alameh, K., and Lee, Y. T.,.2013 Optical absorption enhancement of hybrid-plasmonic-based metal-semiconductor-metal photodetector,incorporating metal nanogratings and embedded metal nanoparticles, Optics Express vol. 21, no. 2, pp [7] Tan, C. L., Lysak, V. V., Das, N., Karaar, A., Alameh, K., Lee, Y. T.,2010 "Absorption enhancement of MSM Photodetector structure with a Plasmonic Double Geating Structure, 10th IEEE Conference in Nanotechnology (IEEE-NANO IEEE,), pp [8] Tan, C. L., Lysk, V. V., Alameh, K., Lee, Y. T.,2010. Absorption enhancement of 980 nm MSM photodetector with plasmonic grating structure, Optics Communications 283,