Metal-insulator multistacks for absorption and photodetection

Abstract

Metal yalıtkan (MI) istifleri, son on yılın en çok çalışılan nanometre cihazlarından biridir. Bu yapılar, güneş pillerinden dalga kılavuzlarına ve polarize edicilere kadar değişen bir çok fotonik uygulamalara yeni bir yol açmıştır. Metal yalıtkan yığınlarının temel özelliği, günümüzde fotonik ve elektronik teknolojideki ana eğilim olan cihaz boyutlarını küçültmektir. Geleneksel fotonik yapılar, yeni fotonik aygıtların, metamalzeme olarak da bilinen özel olarak tasarlanmış metal yalıtkan hücrelerin özelleştirilmesiyle birçok yapay özellik gösterebileceği çok yüksek kalınlıklara ihtiyaç duyar.Bu tezde, özellikle ışık algolamak için ışığı oldukça sınırlayan bir özellikteki metal izolatör emici yığınlarını inceleyeceğiz. Elektromanyetik spektrumun yakın kızıl ötesi kısmı, geleneksel dar bant aralıklı PN fotodiyotlarının oda sıcaklığında çalışamaması nedeniyle foto akım oluşumunda sorunludur. Bu çıkmaza birde büyük boyutları eklenmektedir. Bu tezlerden bazılarında bu sorunlar ele alınmıştır. Önce plazmonik bir MIM yapısı, üst katmanda `dewetting` ile elde edilen rastgele nanopartiküller ile gözlemlenir ve bu da, plasmonik MIM boşluğundaki olay ışığını sınırlar ve alttaki kayıplı metalde yüzey plasmon uyarımıyla yüksek absorpsiyona neden olur. Işık algılama için kritik olan alt metal emilimine odaklanarak en iyi emiciler elde etmek amacıyla çeşitli malzemeler araştırılmaktadır. Simülasyonlarımız ve deney sonuçları, görünür ve yakın kızılötesi bölgelerin çoğunda emiliminin yüzde 90'ın üzerinde olduğunu göstermektedir. Krom-alüminyum oksit-gümüş nanoparçacıklardan (altdan üste) oluşan bir yapıdaki alttaki metalin emilmesi 850 nm'de yüzde 82'ye ulaşır. Uygun NIR absorpsiyonu elde ettikten sonra, bir MIMIM foto-detektörü tasarlanır ve bir başka izolatör-metal tabakasının önceki absorbe edicinin tabanına eklendiği yerde imal edilir. Eskiden bildirilen plasmonik fotodetektörler, aynı MIM yapısında emilim ve fotoakım cihaz tasarımına kısıtlamalar getirmiştir. Bununla birlikte, önerilen yapımızda tünelleme MIM foto akım kullanılır, bu sadece üst metalini üst emici MIM ile paylaşır. Bu yapının en büyük avantajı, fotodetektörün emme ve foto-akım bölümlerini ayırması, böylece her bir MIM'in ayrı ayrı optimizasyonunu mümkün kılmaktadır. Gümüş-hafniyum oksit-krom-alüminyum oksit-gümüş nanopartiküller (üstten alta) olan en iyi yapı, 1000 nm'de 0.962 mA / W'lik bir zirve foto responsivitesini (yüzey plazmonlarının radyasyona bağlı bozulmasından) ve karanlık akımı 50 mV öngeriliminde 7 nA'dır. Sonuçlarımız, daha önce bildirilen MIMIM fotodetektörlerine kıyasla fotoresponsivitede yaklaşık iki kat büyüklüktedir.Görünür ve yakın kızılötesi bölgeler için mükemmel emiciler elde etmek için yapılan başka bir girişimde, bir MIMI emiciyi ortaya koyulmuştur. Bu çalışmada, metal tabakaların katkısı ayrıntılı olarak incelenmiş ve malzeme seçimi tartışılmıştır. Optimizasyon prosesi, mükemmel emiciler tasarlamak için çok yönlü bir yöntem önermektedir. Kalınlıkları optimize etmek için transfer matrisi yöntemi ve FDTD simülasyonları kullanılmıştır. Ayrıca, malzeme seçimine ışık tutmak için, ideal metal permitivite değerlerinin çıkarılması ve mevcut metallere kıyasla boş alana empedans eşleştirilmesi önerilmektedir. Tungsten-aluminyum oksit-titanyum-alüminyum oksit (tepeden aşağıya doğru) yapısına ait deney sonuçlarımız, benzer MIMI yapılarında en iyi mükemmel absorpsiyon bant genişliği olan 400 nm ila 1642 nm arasındaki dalga boyu aralığında yüzde 90'ın üzerinde absorpsiyonu göstermektedir.

Metal-insulator (MI) stacks are one of the most studied nanoscale devices of the recent decade. These structures have opened a new door to endless photonic applications ranging from solar cells to waveguides and polarizers. The main attribute of metal-insulator stacks is possibility of scaling down device dimensions with them that is the main trend in photonic and electronic technology nowadays. The conventional photonic structures require very high thicknesses where novel photonic devices can show many artificial properties by tailoring specifically designed metal-insulator cells also known as metamaterials.In this thesis, we will investigate some metal-insulator absorber stacks with capability of highly confining light specifically for photodetection. The near-infrared part of the electromagnetic spectrum is problematic in photocurrent generation due to the fact that conventional narrow band gap PN photodiodes fail to function in room temperature. Adding to this predicament is their large dimensions. Some of these problems are addressed in this thesis. First a plasmonic MIM structure is studied with random nanoparticles obtained by dewetting in the top layer which confines the incident light in the plasmonic MIM cavity and gives rise to high absorption through surface plasmon polariton excitation in the bottom lossy metal. Several materials are investigated in order to engineer best absorbers with the focus on absorption in the bottom metal which is critical for photodetection. Our simulations and experimental results demonstrate over 90 percent absorption for most of the visible and near-infrared region. The absorption in the bottom metal in a structure comprised of chromium-aluminum oxide-silver nanoparticles (bottom to top) reaches 82 percent at 850 nm. After obtaining appropriate NIR absorption, an MIMIM photodetector is designed and fabricated where another insulator-metal layer is added to the bottom of the previous absorber. The formerly reported plasmonic photodetectors put the burden of absorption and photocurrent path on the same MIM structure putting restrictions on device design. In our proposed structure, however, tunneling MIM photocurrent junction is used which shares only its top metal with the top absorbing MIM. The main advantage of this structure is that it separates the absorption and photocurrent parts of the photodetector, making separate optimization of each MIM possible. The best structure which is silver-hafnium oxide-chromium-aluminum oxide-silver nanoparticles (top to bottom) demonstrates a peak photoresponsivity (from non-radiative decay of surface plasmon polaritons) of 0.962 mA/W at 1000 nm and a dark current of only 7 nA in a bias of 50 mV. Our results demonstrate approximately two orders of magnitude enhancement in photoresponsivity compared to previously reported MIMIM photodetectors.In another attempt to obtain perfect absorbers for visible and near-infrared regions, we put forth an MIMI absorber. In this work, the contribution of metal layers is studied in detail and material choice is discussed. Our optimization process suggests a versatile method for designing perfect absorbers. Transfer matrix method as well as FDTD simulations are used to optimize thicknesses. Furthermore, in order to shed light on material selection, impedance matching of the waves in the multilayer media to free space is proposed for the extraction of ideal metal permittivity values and comparing them to existing metals. Our experimental result of a tungsten-aluminum oxide-titanium-aluminum oxide (bottom to top) structure illustrates over 90 percent absorption for wavelength range of 400 nm to 1642 nm which is the highest perfect absorption bandwidth reported in similar MIMI structures to the best of our knowledge.