Un nuevo metal plasmónico

Jun 22, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 14029 (2023) Citar este artículo

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La detección de color es uno de los principales intereses tanto en aplicaciones biológicas como industriales. En concreto, la determinación de las características de las ondas luminosas es vital en la tecnología fotónica. Una de las características del sentido del color que conviene conocer es su longitud de onda o color. En este trabajo, proponemos una estructura que se puede utilizar para detectar colores RGB por separado de manera eficiente. El detector propuesto consta de un filtro plasmónico que detecta la longitud de onda deseada (rojo, verde y azul) y un diodo PN para convertir los fotones recibidos en corriente eléctrica. Con una intensidad de entrada de 1 mW × cm−2, la densidad de corriente para los colores azul, verde y rojo es 27, 35 y 48 µA × cm−2, respectivamente. Se muestra que las intensidades necesarias para obtener las densidades de corriente de 0,1 µA × cm−2 son 3,94, 2,98 y 2,25 µW × cm−2 para los espectros azul, verde y rojo respectivamente. Cabe mencionar que mediante el uso de estructuras de fotodetectores de alta precisión, como el diodo PIN, se puede disminuir el nivel mínimo detectable. El ajuste simple para la longitud de onda deseada y la operación lineal para diferentes intensidades de entrada son las características de la estructura diseñada. Este detector es compatible con la tecnología CMOS y se puede utilizar fácilmente en numerosas aplicaciones, como dispositivos de carga acoplada, pantallas y cámaras.

Desde la aparición de la tecnología fotónica, diseñar un detector eficiente ha despertado gran interés entre los investigadores. Los fotodetectores son dispositivos en los que la intensidad de la luz incidente se convierte en una corriente eléctrica. Generalmente, esta conversión es sensible a la longitud de onda de la luz incidente. Los detectores de luz infrarroja (IR) y visible (VLD) tienen innumerables aplicaciones en cuestiones basadas en fotónica, como imágenes médicas y militares, comunicaciones ópticas y cámaras modernas1,2,3,4,5,6,7,8. El espectro electromagnético entre 400 y 700 nm se llama luz visible y debe detectarse a través de VLD. La detección de colores rojo, verde y azul (RGB) por separado y de manera eficiente es la tarea básica de los VLD. En otras palabras, en estos detectores se debe realizar un filtrado de color.

La detección de color es la función básica de los dispositivos de detección de imágenes, como los basados ​​en CMOS9,10,11 y los hologramas multicolores12. Los filtros de color basados ​​en pigmentos y colorantes se han utilizado tradicionalmente en dispositivos emisores de luz orgánicos (OLED) y pantallas de cristal líquido (LCD)13,14. Estos filtros no son suficientemente fiables porque los materiales orgánicos tienen una baja estabilidad química11. Además, los materiales filtrantes orgánicos son incompatibles con los procesos de integración11. El uso de metamateriales, guías de ondas de nanocables, puntos cuánticos y plasmónicos son alternativas al diseño de filtros de color15,16,17,18. En el fenómeno plasmónico, la resonancia superficial en la interfaz metal-aislante, llamada resonancia de plasmón superficial (SPR), se puede utilizar para diseñar una estructura multicapa para atrapar una longitud de onda deseada y actuar como filtro19,20,21. La simple implementación de estructuras plasmónicas lleva a los investigadores a utilizar los plasmónicos en amplias aplicaciones, como guías de ondas, sensores ópticos, absorbentes y filtros22,23,24,25. Desde el punto de vista del filtrado, la estructura plasmónica se puede ajustar fácilmente mediante el espesor de la capa aislante para cambiar la frecuencia de resonancia y, posteriormente, el espectro filtrado26,27,28.

Los filtros plasmónicos se pueden dividir principalmente en dos tipos: estáticos y dinámicos29. A diferencia del caso estático, el dinámico muestra diferentes características en función de la polarización de la luz incidente30,31, el calor o la tensión mecánica aplicada al dispositivo32,33,34. Algunos ejemplos introducidos para filtros estáticos son nanoagujeros de rejilla, periódicos, de sublongitud de onda e hibridados35,36,37, y matrices de nanodiscos17,37. La durabilidad y resolución de los filtros plasmónicos son mejores que los no plasmónicos. Por este motivo, hemos utilizado la estructura de base plasmónica para diseñar el filtro de color29,38,39,40.

En este artículo proponemos un fotodetector plasmónico multicapa que incluye tres partes aisladas relacionadas con colores RGB. Cada parte genera una corriente, conectada con la intensidad de la luz en la longitud de onda correspondiente. Además, debido a la dependencia de la longitud de onda filtrada del espesor de la capa semiconductora que se puede realizar mediante litografía, se puede lograr cualquier longitud de onda solicitada en el espectro visible. La simulación en el dominio del tiempo de diferencias finitas (FDTD) de la estructura diseñada se lleva a cabo para demostrar el espectro de transmisión. Posteriormente se obtienen las densidades de corriente generadas en el diodo PN asociado a cada color. Se espera que la utilización del fotodiodo más eficiente en lugar de una PN simple dé como resultado mejores funciones. Esta capacidad hace que el dispositivo propuesto sea compatible con la tecnología plana existente. Además, se investiga la dependencia actual de la intensidad de la luz incidente, el tipo de capa de óxido (SiO2 y Si3N4) y las dimensiones del detector.

El dispositivo está diseñado para detectar algunas de las longitudes de onda predefinidas en el espectro visible. El esquema de la estructura (filtro de color) se muestra en la Fig. 1. Consta de tres partes aisladas para los colores rojo, azul y verde. Cada parte se divide principalmente en la sección de filtrado y el fotodiodo. El filtro produce la transmisión máxima en la longitud de onda deseada y luego el fotodiodo genera la corriente en la longitud de onda relevante. El filtro es una estructura de metal-semiconductor-aislante-metal (MSIM). La plata y el silicio son las partes metálicas y semiconductoras, respectivamente. La capa aislante puede ser óxido de silicio o nitruro de silicio. El espesor de la astilla y la capa aislante es de 10 y 50 nm. Sin embargo, el espesor de la capa de silicio depende de la longitud de onda que se debe detectar. Aquí, el silicio se determina a 50, 70 y 100 nm para azul, verde y rojo, respectivamente. El fotodiodo incluye un diodo PN de silicio simple con un espesor de 10 µm.

(a) Vista 3D del dispositivo. VR, VG y VB son los voltajes de polarización aplicados al contacto en las regiones roja, verde y azul. (b) Vista 2D del dispositivo. El espesor de las capas de plata y dióxido de silicio es de 10 y 50 nm para todas las regiones. El espesor de las capas de silicio para las regiones roja, verde y azul es LR = 100 nm, LG = 70 nm y LB = 50 nm, respectivamente. El espesor del diodo es de 10 µm.

En un principio, se utiliza el método del dominio del tiempo de diferencias finitas (FDTD) para evaluar el espectro de transmisión del dispositivo propuesto resolviendo las ecuaciones de Maxwell. Este espectro se utiliza para calcular la absorción integrando espectros de absorción usando A(r) = ∫A(r, ω)dω. La absorción dependiente de la posición, A(r,ω), viene dada por la ecuación. 1 donde E(r, ω) es el campo eléctrico total, incluidos los campos incidente y disperso, Im ε(r, ω) es la parte imaginaria de la permitividad y Pin es la potencia de la intensidad de entrada41.

La tasa de generación es necesaria para obtener la densidad de corriente. La tasa de generación total se calcula mediante G(r) = ∫g(r, ω)dω en donde G y g son las tasas de generación total y dependiente de la frecuencia, respectivamente. La tasa de generación a la frecuencia específica se obtiene mediante la ecuación. (2) donde Pabs es la potencia absorbida41,42.

Finalmente, las ecuaciones de Poisson, continuidad y deriva-difusión representadas en las Ecs. (3), (4) y (5), respectivamente, se resuelven en el diodo de manera autoconsistente aplicando la tasa de generación obtenida y utilizando el método de elementos finitos.

En la ecuación. (3), ND y NA son la densidad de los átomos donadores y aceptores ionizados, respectivamente. La tasa de generación mencionada anteriormente se utiliza en las ecuaciones de continuidad. En esta ecuación, R representa la tasa de recombinación. En las ecuaciones de deriva-difusión que dan como resultado densidades de corriente, μn, μp, Dn y Dp son movilidades de electrones y huecos y sus coeficientes de difusión, respectivamente43.

La capa de silicio del filtro se considera intrínseca; sin embargo, en el diodo, se supone que el dopaje de P y N es 2 × 1016 cm−3 y 2 × 1017 cm−3, respectivamente. Además, las movilidades se consideran de 1471 y 470,5 cm2/V s para el electrón y el hueco, respectivamente. Además, la luz visible incidente se supone que es una onda plana.

La luz transmitida se ha evaluado debajo de cada parte de la estructura correspondiente a los colores RGB para investigar el funcionamiento del dispositivo desde el punto de vista de la transmisión. La Figura 2 muestra los espectros de transmisión del dispositivo en la banda visible. El azul sólido, el verde discontinuo y la línea roja punteada corresponden a la transmisión en la que la onda de salida ha sido monitoreada por separado debajo de la parte de la estructura diseñada para azul, verde y rojo, respectivamente. Las frecuencias máximas y los factores de calidad relacionados se dan en la Tabla 1. En la región azul, el valor máximo de la transmisión es 0,47 en la longitud de onda de 450 nm. Este máximo emerge en longitudes de onda de 530 y 610 nm para las partes verde y roja del espectro con valores de 0,6 y 0,71, respectivamente. Los factores de calidad para los espectros azul, verde y rojo son 7,5, 7,91 y 7,92, respectivamente. La diferencia en la amplitud de la luz de salida en los colores RGB se produce debido a la dependencia del índice de refracción de la longitud de onda. Los espectros obtenidos son análogos a los de CIE 1931; por lo tanto, el dispositivo es sustancialmente adecuado para cámaras y ojos artificiales44. Además, en cada región RGB, la longitud de onda máxima se puede cambiar fácilmente ajustando la dimensión de la capa de silicio.

Los espectros de transmisión de un dispositivo con la capa de SiO2. La línea azul sólida corresponde a la transmisión justo debajo de la parte de la estructura relacionada con el color azul. De manera similar, las líneas discontinuas verdes y punteadas rojas representan las transmisiones en las que las ondas de salida se monitorean por encima del diodo PN exactamente debajo de la región respectiva.

La diafonía del filtro de color, un parámetro importante para usar el filtro como sensor de imagen, se ha calculado mediante las ecuaciones. 6, 7 y 8 para los espectros azul, verde y rojo, respectivamente45. TB, TG y TR representan las transmisiones de las regiones azul, verde y roja. Las diafonías calculadas se dan en la Tabla 2. Los colores mencionados en las filas y columnas se refieren a los espectros de referencia y superpuestos insertados en los denominadores y numeradores de las ecuaciones. (6), (7) y (8), respectivamente.

La absorción se ha obtenido mediante las ecuaciones mencionadas en el apartado anterior. En consecuencia, se adquirió la generación dependiente de la posición para cada color, como se muestra en la Fig. 3a. Aquí, z representa la posición del diodo desde z = − 10 um hasta z = 0. Como se esperaba, la generación es máxima en z = 0 y disminuye exponencialmente debido a la reducción de la absorción en el diodo hasta el contacto común. La aplicación de esta generación a la ecuación de continuidad y la utilización de las ecuaciones de deriva-difusión dan como resultado densidades de corriente demostradas en la figura 3b. Esta figura muestra las densidades de corriente dadas por tres contactos de la estructura. La línea azul sólida es la densidad de corriente en el contacto VB (Fig. 1) relacionada con la región en la que la capa de silicio es de 50 nm. De manera similar, las líneas verde discontinua y roja punteada son densidades de corriente en los contactos VG y VR, respectivamente. Además, la línea negra de puntos y trazos muestra la densidad de corriente cuando el dispositivo no ha sido iluminado, por lo que la densidad es aproximadamente cero en todos los contactos. Como está claro, la mayor transmisión del color rojo conduce a una mayor generación total, lo que resulta en una mayor densidad de corriente en comparación con los colores azul y verde.

(a) Generación dependiente de la posición a través del Diodo. Las líneas azul sólida, verde discontinua y roja punteada son la generación obtenida al final de las tres regiones de la parte de filtrado correspondientes a los colores RGB. (b) Densidades de corriente para colores RGB versus el voltaje de polarización. La línea continua azul es la densidad de corriente dada en el contacto de VB. Las densidades en los contactos de VG y VR se han demostrado mediante líneas verdes discontinuas y rojas punteadas, respectivamente. Sin iluminación se obtiene la línea negra de puntos y trazos en la que la densidad de corriente es aproximadamente cero en todos los contactos.

La estructura ha sido iluminada por la onda que contiene la parte del espectro visible para una evaluación cualitativa adicional de la diafonía. Al principio, se aplicó al dispositivo el espectro entre 440 y 460 nm (dentro del espectro azul) que se muestra en la Fig. 4a. En esta situación, las densidades de corriente obtenidas se muestran en la Fig. 4b. Como se ve, la corriente que da el contacto VB es mayor que otros. La densidad de corriente en el contacto relacionada con el color azul es 27,1 µA × cm−2; sin embargo, es 35,1 y 47,7 µA × cm−2 para los colores verde y rojo. Se ha adquirido como criterio la intensidad necesaria para obtener la densidad de corriente de 0,1 µA × cm−2. Esta intensidad para las regiones azul, verde y roja es 3,94, 2,98 y 2,25 µW × cm-2, respectivamente.

(a) El espectro de onda incidente es un haz gaussiano con una frecuencia central de 450 nm y un ancho de banda de 20 nm. (b) Las densidades de corriente obtenidas de tres regiones de la estructura. Las líneas azul continua, verde discontinua y roja de puntos son las densidades actuales de las respectivas regiones.

La aplicación del espectro entre 520 y 540 nm (Fig. 5a) al filtro de color da como resultado las densidades de corriente representadas en la Fig. 5b, en la que la región verde representa la densidad de corriente de 97 µA × cm-2 que es al menos tres órdenes. más que otras regiones. Estos resultados indican que la proporción de absorción de las regiones azul y roja es significativamente menor que la parte verde.

(a) El espectro de onda incidente es un haz gaussiano con una frecuencia central de 530 nm y un ancho de banda de 20 nm. (b) Las densidades de corriente obtenidas de tres regiones de la estructura. Las líneas azul continua, verde discontinua y roja de puntos son las densidades actuales de las respectivas regiones.

Para la evaluación de la región roja del filtro de color, el espectro de luz de entrada se considera entre 600 y 620 nm, como se muestra en la Fig. 6a. Las densidades de corriente obtenidas demostradas en la Fig. 6b muestran que la corriente en la región roja es 147 µA × cm-2. Este valor es aproximadamente seis órdenes más que la densidad actual de la región azul y siete órdenes más que la roja.

(a) El espectro de onda incidente es un haz gaussiano con una frecuencia central de 610 nm y un ancho de banda de 20 nm. (b) Las densidades de corriente obtenidas de tres regiones de la estructura. Las líneas azul continua, verde discontinua y roja de puntos son las densidades actuales de las respectivas regiones.

Los haces gaussianos mostrados en las Figs. 4 y 5 con diferentes intensidades se aplican al dispositivo para investigar el efecto de la intensidad de entrada en la densidad de corriente. Los resultados se ilustran en la Fig. 7. Cuanto mayor es la intensidad de entrada, mayor es la densidad de corriente. En la Fig. 7a, el espectro azul entre 430 y 460 nm con intensidades de 0,5, 1, 2, 3 y 4 mW × cm-2 se aplica al filtro de color. Conduce a densidades de corriente máximas de 18,1, 41,7, 88,9, 136 y 184 µA × cm−2, respectivamente. Cuando la intensidad de entrada está dentro del espectro verde (520 a 540 nm), las densidades de corriente máximas son 41,17, 89, 183, 278 y 373 µA × cm-2 para las denominadas intensidades de entrada respectivas. La mayor intensidad transmitida en el espectro rojo da como resultado intensidades de corriente más altas que los espectros verde y azul. Las densidades de corriente máximas de 66,9, 139, 284, 429 y 574 µA × cm−2 se obtienen para intensidades de entrada de 0,5, 1, 2, 3 y 4 mW × cm−2, respectivamente, cuando el espectro de entrada está entre 615 y 635 nm. Como se ve en la Fig. 7, la densidad de corriente es lineal con respecto a la intensidad de entrada. La Figura 8 demuestra mejor esta operación lineal. En esta figura, las densidades de corriente se representan a 0,25 [V] frente a las intensidades de entrada cuando el campo eléctrico se considera gaussiano dentro de los espectros azul, verde y rojo mencionados.

Las densidades de corriente a diferentes intensidades de entrada en los contactos azul (a), verde (b) y rojo (c). (a) El espectro de onda incidente es un haz gaussiano con una frecuencia central de 450 nm y un ancho de banda de 20 nm (Fig. 4a). (b) El espectro de onda incidente es un haz gaussiano con una frecuencia central de 530 nm y un ancho de banda de 20 nm (Fig. 5a). (c) El espectro de onda incidente es un haz gaussiano con una frecuencia central de 610 nm y un ancho de banda de 20 nm (Fig. 6a).

La densidad de corriente versus la intensidad de entrada a 0,25 [V]. La línea azul continua corresponde al espectro de entrada de 430 a 460 nm. La línea discontinua verde y la línea punteada roja se obtienen cuando el espectro de entrada es de 520 a 540 nm y de 600 a 620 nm, respectivamente.

Como se mencionó anteriormente, el espesor de la capa de SiO2 es de 50 nm. El cambio en esta dimensión puede resultar en una alteración de la densidad de corriente; por lo tanto, se ha realizado una investigación de la influencia del espesor de la capa de SiO2 y los resultados se muestran en la Fig. 9. Como se ve, la mejor dimensión de la capa de SiO2 es 50 nm, lo que conduce a las densidades de corriente máximas para los tres colores. aunque el cambio de las densidades de corriente es insignificante para espesores entre 45 y 55 nm. Por lo tanto, en la fabricación de dispositivos, algunas variaciones nanométricas en el espesor del SiO2 son insignificantes.

Densidad de corriente para colores RGB en términos del espesor de la capa de SiO2.

Otra dimensión crucial en la operación del filtro es la dimensión de la capa de Si. Esta capa determina qué longitud de onda se puede transmitir con una reflexión mínima. De manera similar a la capa de SiO2, el espesor de la capa de Si se ha alterado para evaluar su efecto sobre las densidades de corriente. En la región azul, como se desprende claramente de la Fig. 10a, la influencia de esta alteración alrededor del valor seleccionado (50 nm) es insignificante. Para los colores verde y rojo, el cambio en la capa de Si da como resultado pequeños cambios en las densidades de corriente, como se demuestra en la Fig. 10b,c. Por estas razones, el dispositivo propuesto es fiable desde el punto de vista de la fabricación.

El efecto del cambio en el espesor de la capa de Si sobre las densidades de corriente. Se considera que la alteración se realiza alrededor de las dimensiones seleccionadas que son 50 nm, 70 nm y 100 nm para los espectros azul, verde y rojo, respectivamente. (a) Para el espectro azul. (b) Para el espectro verde. (c) Para el espectro rojo.

Para un mejor funcionamiento, se puede sustituir la capa de SiO2 por otro aislante, como el Si3N4. El espesor de la capa de Si3N4 se considera 50, 70 y 100 nm para los espectros azul, verde y rojo, respectivamente, que son precisamente los espesores de las capas de SiO2. Este reemplazo condujo a los espectros de transmisión en la Fig. 11a. La comparación de esta figura con la Fig. 2 indica que se promueve el funcionamiento del dispositivo. El valor de transmisión para todos los colores es mejor que antes. Un valor de transmisión más alto provoca densidades de corriente más altas como se muestra en la Fig. 11b. Las densidades de corriente máximas para las regiones azul, verde y roja son 37,7, 49,3 y 60,9 µA × cm-2, respectivamente.

(a) Los espectros de transmisión cuando la capa de SiO2 se reemplaza con Si3N4. La línea azul sólida corresponde a la transmisión justo debajo de la parte de la estructura relacionada con el color azul. De manera similar, las líneas discontinuas verdes y punteadas rojas representan las transmisiones en las que las ondas de salida se monitorean por encima del diodo PN exactamente debajo de la región respectiva. (b) Densidades de corriente para colores RGB versus el voltaje de polarización. La línea continua azul es la densidad de corriente dada en el contacto de VB. Las densidades en los contactos de VG y VR se han demostrado mediante líneas verdes discontinuas y rojas punteadas, respectivamente. Sin iluminación se obtiene la línea negra de puntos y trazos en la que la densidad de corriente es aproximadamente cero en todos los contactos.

Se propuso el filtro de color basado en la estructura multicapa plasmónica en el que se diseñaron tres partes aisladas para detectar tres colores RGB por separado. Cada parte consta de dos secciones principales: filtrado y diodo. El filtrado incluye El SiO2 o aislante, El Si y dos capas de plata. El espesor de la plata y del aislante es de 10 y 50 nm, respectivamente. Sin embargo, el espesor de la capa de Si se considera de 50, 70 y 100 nm para los respectivos colores azul, verde y rojo. El diodo se consideró un PN simple. Para un mejor funcionamiento, se pueden utilizar estructuras más sofisticadas para el diodo. Se simuló el dispositivo para obtener los espectros de transmisión de tres regiones RGB. Continuamente se obtuvieron mediante transmisión las densidades de generación y corriente relacionadas con cada color. Además, se investigó el efecto del aislante y del espesor de la capa de Si sobre las densidades de corriente. Finalmente, la capa de SiO2 fue reemplazada por Si3N4 para demostrar que incluso se puede promover el funcionamiento del dispositivo. Las densidades actuales aumentan aproximadamente un 40 por ciento para el azul y el verde y un 10 por ciento para el rojo.

Todos los datos generados y analizados durante el presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Descargar referencias

Laboratorio de Investigación de Fotónica y Nanocristales (PNRL), Facultad de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad de Tabriz, Tabriz, Irán

A. Beheshti Asl, H. Ahmadi y A. Rostami

SP-EPT Lab., Compañía ASEPE, Parque Industrial de Tecnologías Avanzadas, Tabriz, Irán

H. Ahmadi y A. Rostami

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ABA escribió el artículo y simuló los resultados. HA simuló los resultados y escribió el artículo y AR supervisó el proyecto, propuso la idea básica y editó el manuscrito.

Correspondencia a A. Rostami.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Asl, AB, Ahmadi, H. & Rostami, A. Un novedoso sensor de color plasmónico de metal-semiconductor-aislante-metal (MSIM) compatible con la tecnología CMOS. Informe científico 13, 14029 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41346-4

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Recibido: 29 de junio de 2023

Aceptado: 24 de agosto de 2023

Publicado: 28 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41346-4

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