Плазменное усиление металлическими нанодисками оптических характеристик компонент нанофотоники на основе гетероструктур Ge/Si с квантовыми точками в ближнем и среднем ИК-диапазонах

Институт физики полупроводников СО РАН

А.В. Двуреченский, А.И. Якимов, А.Ф. Зиновьева, В.А. Зиновьев, А.А. Блошкин, А.В. Ненашев

Разработаны подходы, обеспечивающие многократное увеличение чувствительности фотодетекторов и интенсивности люминесценции светоизлучающих кремниевых гетероструктур с квантовыми точками Ge/Si в ближнем и среднем ИК диапазонах на основе явлений плазмоники, использования метаматериалов, метаповерхностей и гибридных структур.

Показано, что в среднем ИК диапазоне плазмонные эффекты обеспечивают на длине волны 4.4 мкм 15 кратное увеличение пиковой чувствительности фотодетектора относительно фотоприемников без плазмонных структур. Для фотодетектора ближнего ИК диапазона показано, что соответствующий выбор периода решетки нанодисков Al и их размера обеспечивает рост чувствительности фотодетектора в 40 раз на длине волны 1,2 мкм и в 15 раз на длине волны 1.55 мкм [1]. Для усиления излучения в области 0.8 – 1 эВ кремниевых структур с Ge/Si квантовыми точками разработана гибридная структура, содержащая наночастицы Ag эпитаксиально выращенных поверх слоев квантовых точек Ge/Si.  Расчеты показывают, что при размере Ag наночастиц 150 нм ожидается  15 кратное усиление люминесценции на длине волны 1,4 мкм для Ge квантовых точек в Si [2]. Практическая значимость результатов заключается в совместимости материалов с высоко интегрированной кремниевой технологией и возможности монолитной интеграции элементов нанофотоники и наноэлектроники.

Публикации:

1. A.I. Yakimov, V.V. Kirienko, A.A. Bloshkin, A.V. Dvurechenskii, D.E. Utkin. Journal of Applied Physics, v. 128, p.143101 (2020).
2. F. Zinovieva, V. A. Zinovyev, A. V. Nenashev, S. A. Teys, A. V. Dvurechenskii, O. M. Borodavchenko, V. D. Zhivulko and A. V. Mudryi. Scientific Reports, v. 10, 9308 (2020).