Lichteinfangtechnik zur Verbesserung der Breitband- und spektralselektiven Photodetektion durch selbstgebaute dielektrische Mikrokavitäts-Arrays

Einführung

Photodetektoren (PDs) sind sehr gefragt, um das Ansprechverhalten zu verbessern, was für kommerzielle Anwendungen wie optische Kommunikation, Sensorik und Bildgebung in unserem täglichen Leben praktisch wichtig ist. Es ist allgemein anerkannt, dass die Materialextinktion im aktiven Bereich der Bauelemente hoch genug sein muss, um eine effiziente Lichtabsorption und Phototrägererzeugung zu ermöglichen [1]. Daher wurde die Anwendung fortschrittlicher Lichtfallentechnologie als der wichtigste Ansatz angesehen, um eine effiziente Photodetektion in verschiedenen Breitband-PDs zu realisieren [2]. Darüber hinaus müssen aufgrund der neu gestiegenen Nachfrage nach abstimmbarer selektiver spektraler Empfindlichkeit oder Mehrfachbandsensorik im Bereich der Photodetektion auch neue Lichtmanipulationsmethoden entwickelt werden [3,4,5,6,7,8,9].

Verschiedene optische Erfassungsstrategien wurden entwickelt und in optischen Geräten eingesetzt, z -Volumenverhältnis und Debye-Länge. Unter diesen 3D-Lichteinfang-Nanostrukturen wurde der resonante optische Hohlraum mit niedrigem Q als das attraktivste Medium angesehen, um Licht in einem Breitbandbereich durch die multiplen Resonanzmoden zu manipulieren [15,16,17,18,19,20,21,22, 23]. Das Hauptprinzip ist, dass die Whispering-Gallery-Mode (WGM)-Resonanzen in der Kugel die Licht-Materie-Wechselwirkungen in der Kavität verstärken können [16, 19, 23] oder das Licht durch die Wellenleitermode in das Unterschichtsubstrat einkoppeln [ 17, 20]. Folglich kann in den entsprechenden optoelektronischen Geräten ein verbesserter photoelektrischer Umwandlungswirkungsgrad oder ein verbessertes Photoansprechverhalten realisiert werden [24, 25]. Dieses Konzept des Lichteinfangs in Dünnschichtsolarzellen unter Verwendung von resonanten dielektrischen Nanokugeln im Wellenlängenbereich wurde von Grandidier et al. mit dem Ziel, die Lichtabsorption in der aktiven Schicht und den Photostrom im Gerät zu verbessern [15]. Außerdem wurden eine deutlich verbesserte Lichtabsorption und Leistungsumwandlungseffizienz von Cui et al. [16]. Die selbstorganisierten dielektrischen hohlen Nanokugeln, die mehrere WGM-Resonanzen mit niedrigem Q im Bereich des sichtbaren Lichts umfassen, wurden in unserer früheren Arbeit auch für ein effektives Einfangen von Licht und eine Verbesserung der Kurzschlussstromdichte auf Dünnschichtsolarzellen gezeigt [17]. Theoretisch sollte diese Art von Mehrfachresonanzen im Gegensatz zur herkömmlich verwendeten optischen Filmtechnologie für die Anwendung in PDs zur spezifischen Wellenlängenmanipulation oder Breitband-Lichteinfangverstärkung möglich sein, was jedoch noch nicht untersucht wurde.

In dieser Arbeit wurden die 3D-nanostrukturierten dielektrischen Mikrokavitäts-Arrays (MCAs) für das Lichtfallen-Engineering im Breitband- und spezifischen Spektralbereich auf den siliziumbasierten PDs eingeführt. Als Kavitätenmaterial wurde hier der Wide-Bandgap-Halbleiter ZnO gewählt, der durch verschiedene physikalische oder chemische Verfahren leicht hergestellt werden kann [26,27,28]. Die hohle kugelförmige ZnO-Kavität wurde unter Verwendung der selbstorganisierten PS-Nanosphären-Arrays als Templat in Kombination mit der physikalischen Abscheidung und dem thermischen Tempern hergestellt, wie in unserer früheren Arbeit beschrieben [29]. Der signifikante breitbandige Lichteinfang wurde in den optimierten ZnO-Kavitäten charakterisiert, der durch die theoretische Berechnung nachweislich aus den WGM-Resonanzen stammt. Daher wurde eine Breitband-Photodetektionsverbesserung in ZnO-MCA-dekorierten PDs erreicht. Aufgrund der multiplen WGM-Resonanzen, insbesondere der Leaky Modes im MCA, wurden die lokale optische Dichte und die effektive Absorption in einem bestimmten Wellenlängenbereich in der aktiven Schicht der Silizium-PDs gefördert. Folglich wurde neben der Verbesserung der Breitbandempfindlichkeit eine Steigerung der Lichtempfindlichkeit um bis zu 25 % in einem bestimmten Wellenlängenbereich (800–940  nm) bei einer Vorspannung von 0 V erreicht. Der in dieser Arbeit demonstrierte Einsatz von WGM-verstärkter Absorption für das Lichtmanagement in PDs öffnet die Tür zu verschiedenen Anwendungen in anderen optoelektronischen Geräten, wie etwa effizienter Photovoltaik und Leuchtdioden (LEDs).

Ergebnisse und Diskussion

Die Querschnitts- und Draufsicht der Vorrichtungsstruktur in der mit ZnO MCA dekorierten PIN-Silizium-PD sind schematisch in Fig. 1a bzw. b gezeigt. Hier die wie hergestellten ZnO-MCAs mit dem tatsächlichen Kerndurchmesser von 470 nm bei Verwendung der 530-nm-PS-Nanosphären als Vorlage, unter Bezugnahme auf die experimentellen Details und Herstellungsprozesse in (Zusatzdatei 1:Abbildung S1), auf den PIN-PDs sind in der Monoschicht-Anordnung mit einer hexagonalen dichten Packung gut geordnet, wie in Abb. 1c gezeigt. Die akzeptable Kugelform der Hohlräume mit Ausnahme des Kontaktbereichs mit dem Substrat ist in den Querschnitts- und betitelten REM-Bildern von Abb. 1d und der zusätzlichen Datei 1:Abbildung S2a gut zu erkennen. Die glatte Innenfläche kann auch in der inneren Morphologie dieses optischen Hohlraums visualisiert werden, wie in Zusatzdatei 1:Abbildung S2b zu sehen, was verständlicherweise für die Resonanz des Lichts in der Hohlraumstruktur von Vorteil wäre. Die tatsächliche Schalendicke (T _Muschel ) in der Kavität wurde mit ~ 40 nm gemessen (Zusatzdatei 1:Abbildung S2b). Darüber hinaus ist auf den großflächig hergestellten ZnO-MCA-Arrays auf dem PIN-Substrat eine klare Beugungsfarbe zu sehen, wie in Zusätzliche Datei 1:Abbildung S3a gezeigt, die aus dem Beugungseffekt der ZnO-MCA-Schicht stammt, der bei den spezifischen Winkeln auftrat, die die Braggs . erfüllen Gleichung [30]. Es ist allgemein anerkannt, dass, wenn die Kavitätsparameter (z. B. Durchmesser und Dicke) mit der Lichtwellenlänge übereinstimmen, die Flüstergalerie-Mode (WGM)-Resonanzen erzeugt würden. Daher kann bei dieser Art von MCA-dekorierten PIN-PDs die Lichteingrenzung und die Einkopplung in die aktive PD-Schicht durch die Leckmoden [30] und die daraus resultierende Verbesserung des Lichteinfangs in den Geräten erwartet werden.

Schematische Darstellung von a die ZnO-MCAs dekorierten PIN-PDs und b die Draufsicht auf das PIN-Gerät. c , d Die planaren und Querschnitts-REM-Bilder der ZnO-MCAs im Herstellungszustand auf der PIN-PD

Um die Lichteinschluss- und Einfangeigenschaften der hergestellten ZnO-MCAs zu verifizieren, wurde zunächst ein FDTD-simuliertes Transmissionsspektrum für die ZnO-MCAs auf dem Saphirsubstrat als vereinfachter Fall untersucht und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen, wie in Abb. 2a und b . gezeigt . Mehrere ausgeprägte Täler können bei Wellenlängen von 415, 495, 547 und 650 nm im simulierten Transmissionsspektrum gut aufgelöst werden. Aufgrund der intrinsischen Bandkantenabsorption von ZnO trat im UV-Bereich, in dem die Wellenlänge kürzer als 380 nm ist, keine Resonanz auf. Zweifellos stammen diese Täler im Transmissionsspektrum aus der Reihe unterstützter WGM-Resonanzen in den ZnO-MCAs und können anhand ihrer entsprechenden Nahfeldverteilungsmuster unter jedem Resonanzpeak gut identifiziert werden, wie in Zusatzdatei 1:Abbildung S4 gezeigt. Das typische Resonanzmuster für die zweite Ordnung der WGM-Resonanz nahe 650 nm wurde selektiv im Einschub von Fig. 2a gezeigt. Um die Kavität herum wurde eine verstärkte Feldverteilung deutlich aufgelöst, die als Leaky-Mode bekannt ist [31] und anschließend günstig für die Einstrahlung des Lichts in die darunter liegende aktive Schicht der Bauelemente wäre. Das experimentelle Transmissionsspektrum stimmt gut mit dem simulierten bei den entsprechenden Resonanzwellenlängen überein, mit Ausnahme einer geringfügigen Verschiebung der Wellenlängenpeaks bei 416, 492, 545 und 637  nm, wie in Abb. 2b gezeigt. Diese WGM-Resonanzen in den MCAs erzeugten eine Weitwinkelstreuung [32] des einfallenden Lichts, die sich als Tal in den Transmissionsspektren nahe der Resonanzwellenlänge zeigt.

a Theoretisch und b experimentelle Transmissionsspektren der MCAs auf dem Saphirsubstrat. c , d Theoretische und experimentelle Reflexionsspektren der MCAs auf Siliziumsubstraten im Vergleich zu denen auf blankem Silizium. e Das Absorptionsprofil im Siliziumsubstrat mit und ohne MCA-Dekoration unter der On-Resonanz- (660 nm) und Off-Resonanz- (840 nm) Lichtanregung

Dieser Streueffekt auf mit ZnO-MCAs dekorierten Si-Substraten kann auch gut durch das simulierte Reflexionsspektrum nachgewiesen werden, wie in Abb. 2c gezeigt, wo eine Reihe von Peaks gefunden werden kann, die gut mit den Resonanztälern in den Transmissionsspektren übereinstimmen [33]. Außerdem wurde festgestellt, dass auf dem MCA-dekorierten Siliziumsubstrat im Vergleich zu dem blanken Silizium erfolgreich ein Breitband-Antireflexionseffekt erzielt wurde. Das experimentelle Reflexionsspektrum auf ZnO-MCA-dekoriertem Siliziumsubstrat (Abb. 2d) zeigt ebenfalls einen ähnlichen Antireflexionseffekt und Resonanzpeaks wie die theoretischen Ergebnisse, mit Ausnahme einer viel geringeren Resonanzqualität (Q), die durch die Nicht- ideale sphärische Struktur und die vorhandenen Defekte innerhalb der experimentell hergestellten MCAs. Diese verringerte Resonanzqualität könnte jedoch der Antireflexion im kurzwelligen Bereich (< 550 nm) weiter förderlich sein, was für den Breitband-Lichteinfang auf den entsprechenden Geräten von großem Vorteil wäre, wie in der vorherigen Arbeit gezeigt wurde [16, 34 ].

Im Vergleich zur Reflexion von der blanken Siliziumoberfläche zeigten sowohl die theoretischen als auch die experimentellen Reflexionsspektren von der MCA-dekorierten Siliziumquelle, dass die unterstützte Reihe von WGM-Resonanzen zum Einfangen von Licht unter Verwendung der Leckmoden verwendet werden kann. Interessanterweise war jedoch bemerkenswert, dass die meist verringerte Reflexion im Bereich außerhalb der Resonanz statt in den Spitzen der Resonanz auftrat. Weitere Simulationen zeigten gut, dass die starke Absorptionsverstärkung im MCA-beschichteten Siliziumsubstrat im Off-Resonanzband (840 nm) im Vergleich zu dem auf dem blanken Silizium erfolgreich realisiert werden kann, während unter der On-Resonanz ein viel niedrigeres Absorptionsprofil erhalten wurde Beleuchtung (660 nm), wie in Abb. 2e gezeigt (der detaillierte Simulationsaufbau wurde in Zusatzdatei 1 gezeigt:Abbildung S5). Dieses Ergebnis lässt darauf schließen, dass die WGM-Resonanz, insbesondere die Resonanz mit hohem Qualitätsfaktor in einigen speziellen Wellenlängenpositionen, das Licht auch zurückstreuen könnte [35], was für die Lichteinfangverstärkung ungünstig ist. Die in Zusatzdatei 1:Abbildung S6 gezeigte extrahierte Nahfeldverteilung zeigte auch, dass aufgrund der Resonanz eine große Menge an optischer Leistung zurückgestreut wurde, was zu einem verringerten Absorptionsprofil in der aktiven Schicht führte, verglichen mit bloßem Silizium unter der Oberfläche. Beleuchtung mit Resonanzwellenlänge.

Die Funktionalität der lichteinfangenden MCA-Schicht auf Silizium-PIN-PDs wurde dann durch Charakterisierung der Photoreaktion der Geräte bewertet. Wie in der typischen I-V-Antwort von Fig. 3a gezeigt, wurde eine zufriedenstellende Photodiodencharakteristik in den wie hergestellten Silizium-PIN-PD-Geräten sowohl unter dunklen Bedingungen als auch unter heller Beleuchtung verifiziert. Bezeichnenderweise kann mit der Dekoration von MCAs eine um bis zu ~ 25% verbesserte Photoantwort auf den PDs im Vergleich zu der bei den einzigen Silizium-PIN-PDs unter 850 nm Lichtbeleuchtung realisiert werden (wie in Abb. 3b zu sehen). Die wellenlängenabhängige Lichtempfindlichkeit, wie in Abb. 3c gezeigt, zeigt eine dramatisch verbesserte Lichtempfindlichkeit innerhalb eines Breitbandspektrums fast über den gesamten sichtbaren und nahen Infrarotbereich (IR) nach dem Dekorieren der MCAs auf den Geräten. Das Verstärkungsverhältnis wurde berechnet und ist in Abb. 3d dargestellt. Es ist zu erkennen, dass nur im Wellenlängenbereich von 625  bis 695 nm mit dem mittleren Tal bei ~ 660 nm keine Verstärkung auftritt, die gerade gut mit der zweiten Ordnung (n = 2) WGM-Resonanz (Spitzenwellenlänge bei ~ 640 nm), wie in den Transmissionsspektren (im Resonanzbereich) von Fig. 2b zu sehen ist. Während innerhalb des am häufigsten verwendeten Nahinfrarot-(IR)-Bereichs (~ 800 bis ~ 980 nm) für Silizium-PDs eine offensichtlich verbesserte Empfindlichkeit von bis zu ~ 17% erfolgreich erreicht wurde. Zufälligerweise lag dieser Wellenlängenbereich auch im Bereich außerhalb der Resonanz, wie oben erwähnt. Die Ergebnisse stimmten gut mit den Simulationsergebnissen überein, bei denen die Absorptionsverstärkung unter der Beleuchtung in Resonanz nicht verbessert werden konnte, während eine offensichtlich verbesserte Absorption im Nichtresonanzbereich auftreten kann, wie in Fig. 2e gezeigt. Für den kurzwelligen Bereich (< 600 nm) kann jedoch immer noch eine signifikante Verbesserung der Absorption sowie der Photoreaktion erzielt werden, die gut mit den bemerkenswerten Antireflexeigenschaften der MCAs auf Silizium übereinstimmt, die in Abb. dargestellt sind . 2d. Wie oben besprochen, sollte die tatsächlich viel niedrige Resonanzqualität in Hohlräumen innerhalb dieses Bereichs der Hauptgrund für das breitbandige Lichteinfangen sein, das unabhängig von der Ein- oder Ausresonanz ist.

a Strom-Spannungs-(IV)-Kurven für die hergestellten Silizium-PIN-PDs bei dunkler und heller Beleuchtung (850 nm LED, 1,2 mW cm ⁻² ). b Vergleich der aktuellen Reaktion unter 850 nm LED-Beleuchtung und c die wellenlängenabhängige Lichtempfindlichkeit in den Geräten mit und ohne Dekoration der (Kontroll-)MCAs. Die teilweise Vergrößerung im kürzeren Wellenlängenbereich (< 380 nm) wurde im Einschub gezeigt. d Das entsprechende Verbesserungsverhältnis berechnet aus c , bei der die Anresonanz (R _an ) und Off-Resonanz (R _aus ) Bereich bezogen auf die Reflexionsspektren im Hintergrund hellrot bzw. hellgrün markiert

Die obigen Ergebnisse haben gut gezeigt, dass die Lichteinfangeigenschaften über die WGM-Mikrokavität stark mit der Resonanzqualität zusammenhängen, die von den Parametern der Kavitäten abhängt. Um den oben erwähnten Verstärkungsmechanismus weiter zu verifizieren und die Empfindlichkeitsverstärkung von Geräten in einem bestimmten Wellenlängenbereich zu manipulieren, wie z Größe der Hohlräume. Für den in dieser Arbeit verwendeten Schalenstrukturhohlraum kann die effektive optische Länge leicht durch eine Verdickung der Schalenschicht erhöht werden [36]. Wie in Abb. 4a gezeigt, wurden durch Erhöhen der Schalendicke auf 60 nm viel mehr Resonanzmoden im Transmissionsspektrum der MCAs beobachtet. Diese Resonanzmodi können mithilfe der theoretischen Simulation auch den entsprechenden WGM-Resonanzen zugeordnet werden, wie in Zusatzdatei 1 gezeigt:Abbildung S7. Im Vergleich zu den MCAs mit einer Schalendicke von 40 nm (Abb. 2b) zeigt der gleiche Resonanzmodus aufgrund der größeren effektiven Hohlraumlänge eine verständliche Rotverschiebung. Die experimentellen Reflexionsspektren in Abb. 4b stimmten auch gut mit dem Transmissionsspektrum überein. Anders als bei den experimentellen Reflexionsspektren für die MCAs mit einer Schalendicke von 40 nm, die in Abb. 2d gezeigt sind, ist die tatsächliche Resonanz besser unterscheidbar, was auf die höhere Resonanzqualität hinweist, was bedeutet, dass der Rückstreueffekt möglicherweise stärker und nicht zugunsten des Lichts ist einfangen. Die wellenlängenabhängigen Reaktionskurven sind in Abb. 4d gezeigt, um diese Schlussfolgerung gut zu demonstrieren, wobei die Reaktionsfähigkeit in bestimmten Wellenlängenbereichen verbessert wurde, während einige andere Bereiche verringert wurden. Aus Fig. 4d ist zu erkennen, dass der am meisten verstärkte Bereich durchweg im Bereich außerhalb der Resonanz auftrat, während der Bereich verringert wurde, der sich im Bereich der Resonanz befand. Darüber hinaus wurde im Vergleich zu den mit MCAs dekorierten PDs mit einer Schalendicke von 40 nm (in Abb. 3d gezeigt) eine viel höhere Empfindlichkeitsverbesserung im Bereich von 800–980 nm erreicht, der hauptsächlich in der Kommunikation und Sensorik für Silizium-PDs verwendet wird. Bei der Wellenlänge von 820 nm kann eine Verstärkung von bis zu ~ 25% erreicht werden, wie in Fig. 4d gezeigt. Diese viel stärkere Verstärkung sollte von der höheren Resonanzqualität für das WGM zweiter Ordnung der MCAs herrühren, was zu dem höheren Lichteinfangeffekt durch den Leckmodus der WGM-Resonanz in diesem Wellenlängenbereich führt. Die viel geringere Reflexionsintensität in diesem Wellenlängenbereich erklärt diese signifikante Verbesserung des Lichteinfangs sowie der Empfindlichkeit gut, wie in Abb. 4b im Vergleich mit dem Reflexionsspektrum in Abb. 2d für die MCAs mit einer Schalendicke von 40 nm . gezeigt . Darüber hinaus geschah diese Verbesserung auch hauptsächlich im Bereich außerhalb der Resonanz.

a Experimentelles Transmissionsspektrum der MCAs auf Saphirsubstrat mit einer Schalendicke von 60 nm. b Die entsprechenden Reflexionsspektren von MCAs auf einem Siliziumsubstrat im Vergleich zum blanken Siliziumsubstrat. c Die Fotoempfindlichkeiten im Gerät mit oder ohne Dekoration der (Kontroll-)MCAs unter 850 nm LED-Beleuchtung. d Das entsprechende Verbesserungsverhältnis berechnet aus c . Der Hintergrund innerhalb der On-Resonance- und Off-Resonance-Region in b und d bezogen auf die Reflexionsspektren in b wurde hellrot bzw. hellgrün markiert

Während für den Einresonanzbereich von ~ 640 bis 710 nm, wie in Fig. 4d gezeigt (der Hintergrund wurde als hellrot markiert), offensichtlich eine verringerte Empfindlichkeit aufgrund des durch die hohe Resonanzqualität für diesen Resonanzmodus induzierten Rückstreueffekts erhalten wurde, wie oben besprochen. Ähnlich wie bei den MCAs mit einer Schalendicke von 40 nm kann im kurzwelligen Bereich (< 500 nm) höchstwahrscheinlich aufgrund der viel geringeren Resonanzqualität und des höheren Antireflexionseffekts noch eine starke Verstärkung erzielt werden. Die Stabilitätsleistung für diese Verbesserungen durch die Lichtfallentechnik wurde auch weiter bewertet, indem die Photoreaktion für das gleiche Gerät, das 1 Jahr lang in Umgebungsluft gelagert wurde, untersucht wurde dieselben Testbedingungen wie in Zusatzdatei 1:Abbildung S8.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurde eine neue Strategie zur Verbesserung der Lichtabsorption im Breitband- und spezifischen Wellenlängenbereich für Photodetektoren (PDs) vorgeschlagen, indem die mehrfachen WGM-Resonanzen genutzt werden, die in ZnO-Mikrokavitäts-Arrays (MCAs) erzeugt werden. Mit der Dekoration der einfach hergestellten dielektrischen Mikrokavitäts-Arrays (MCAs) auf den siliziumbasierten PIN-PDs wurde eine Breitband-Lichteinfang- und Lichtempfindlichkeitsverbesserung erfolgreich erreicht, die fast den gesamten ultravioletten und sichtbaren Nahinfrarotbereich (300–1000 nm) abdeckt . Theoretische und experimentelle Ergebnisse zeigten, dass die Streumodenstrahlung der WGM-Resonanzen, die am effektivsten im Bereich außerhalb der Resonanz arbeitet, der Hauptverstärkungsmechanismus für das Einfangen von Licht ist. Durch die weitere Manipulation der WGM-Resonanzpeaks und der Resonanzqualität durch Erhöhung der Schalendicke der Kavitäten wurde eine spezifische Lichteinfang- und Reaktionsfähigkeitsverbesserung im am häufigsten verwendeten Kommunikations- und Erfassungsbereich (800–980 nm) mit einer maximalen Verbesserung von bis zu ~ 25% erreicht. bei 820 nm. Diese Arbeit demonstrierte gut eine kostengünstige und gute Kompatibilitätsmethode zur Verbesserung des Lichteinfangs und damit der Empfindlichkeit mit Breitband- oder selektiven Spektren für die Photodetektion durch Einführung des Leaky-Modus von WGM-Resonanz-Dielektrikumhohlraum-Arrays. Der in dieser Arbeit verwendete Ansatz zur Lichtmanipulation bietet einen wichtigen Leitfaden für das Design von Mikro- und Nanomaterialarchitekturen, um die neuartigen Anwendungen innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs in optoelektronischen Geräten zu erleichtern.

Methoden/Experimental

Herstellungsprozess von PIN-PD-Geräten

Die PIN-PDs wurden auf einem 200 μm dicken Siliziumsubstrat vom p-Typ (100) hergestellt, das von WaferHome [37] mit einem spezifischen Widerstand von 0,001 Ω cm bezogen wurde. Auf dem Substrat wurde eine 20 µm dicke intrinsische Schicht epitaktisch aufgewachsen. Dann n-Typ-Phosphor-Ionen-Implantation mit einer Implantationsdosis von 1 × 10 ¹⁶ cm ⁻² und eine Energie von 160 keV wurde an der intrinsischen Schicht durchgeführt, um die endgültige PIN-Vorrichtungsstruktur zu bilden. Vor der Dekoration der MCA-Strukturen wurde der PIN-Wafer standardmäßig gereinigt, um die Oberflächenreste organischer Stoffe und Metallionen zu entfernen. Schließlich wurden die Chip-Herstellungsprozesse mit dem entworfenen lichtempfindlichen Bereich von 2,8 mm ×  2,8 mm durchgeführt. Auf der n-leitenden Oberfläche wurde eine 100 nm dicke Aluminiumelektrode mit einem Durchmesser von 160 µm und auf der Rückseite ein 50 nm dicker Au-Film mit 5-nm-Ti-Bondschicht auf der Rückseite aufgesputtert (Explorer-14, Denton Vacuum ) um einen metallischen ohmschen Kontakt zu bilden.

Herstellungsprozess der ZnO-MCA-Schicht

Die ZnO-MCAs wurden unter Verwendung der Polystyrol(PS)-Nanokügelchen als Templat hergestellt, gefolgt von einer Sputter-Abscheidung des ZnO-Films, und die PS-Nanokügelchen wurden schließlich durch thermisches Tempern entfernt [29]. Als Schablonenmaterial zur Herstellung von ZnO-Mikrokavitätsarrays wurden kommerzielle PS-Nanosphären verwendet, die von Nanomicro (Suzhou Nanomicro Technology Co., Ltd.) mit einem Durchmesser von 530 nm bezogen wurden. Die Hülle aus ZnO-Dünnfilmen in unterschiedlichen Dicken (~ 40 und ~ 60 nm) wurde durch Anpassung der unterschiedlichen Abscheidungsdauern gesteuert.

Charakterisierungen

Die Morphologie und Struktur wurden durch das Hitachi S-4800 Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FE-SEM) charakterisiert. Experimentelle Transmissions- und Reflexionsspektrendaten wurden mit dem Varian Cary 5000 UV-Vis-NIR-Spektrophotometer gesammelt. Die Photostrom- und IV-Eigenschaften der Geräte wurden an einer elektrochemischen Workstation (CHI660D) gemessen, die mit einer Raumtemperatursondenstation und LED-Lichtquellen ausgestattet war. Die externe Quanteneffizienz (EQE) der Geräte unter 0 Bias wurde mit einem optischen Leistungsmesser (Newport, 2936-R) gemessen, das mit einer Lichtquelle (Newport, 66,920) und einem Monochromator (Cornerstone 260, Newport) ausgestattet war. Simulierte Transmissions-/Reflexionsspektren und Nahfeldverteilung wurden mit einem FDTD-Simulationspaket (FDTD Solutions, Lumerical Inc.) extrahiert.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten.

Abkürzungen

3D:

Dreidimensional

EQE:

Externe Quanteneffizienz

IR:

Infrarot

IV:

Strom-Spannung

MCAs:

Mikrokavitäten-Arrays

PDs:

Fotodetektoren

PIN:

Positiv-intrinsisch-negativ

PS:

Polystyrol

R _aus :

Off-Resonanz

R _an :

Auf Resonanz

T _Muschel :

Schalendicke

WGM:

Flüstergalerie-Modus