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Simulation and Analysis of Plasmonic Photodetector Based on Au Nanoparticles and HfO2 Interlayer With Improved Performance in Visible Spectral Region

材料科学 吸收(声学) 分析化学(期刊) 物理 光学 化学 有机化学
作者
Bharathi Raj Muthu,D. Vaithiyanathan,Anuj K. Sharma
出处
期刊:IEEE Sensors Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:23 (23): 28769-28776 被引量:1
标识
DOI:10.1109/jsen.2023.3323470
摘要

This work reports on a photodetector (PD) based on SiO2 substrate, Au nanoparticles (NPs), and hafnium oxide (HfO2)/aluminum oxide (Al2O3) interlayer with plasmonic enhancement of light absorption in visible spectral region. Finite difference time domain (FDTD) methodology is used for simulation. The results show that a surrounding medium with higher refractive index (RI) leads to greater absorption with plasmonic enhancement. A thin HfO2 layer (1–2 nm) further increases the light absorption leading to higher magnitudes of quantum efficiency ( $\eta $ ) and responsivity ( $\rho $ ). Additionally, this HfO2 layer causes the operating wavelength ( $\lambda _{{0}}$ , related to peak absorption magnitude “ ${A}$ ”) to considerably red-shift leading to decrease in the scattering ( $\Lambda $ = 1/ $\lambda _{{0}}^{{4}}$ ) of incident light. HfO2-based PD design operating at 594.67 nm provides the values of $\eta $ and $\rho $ as large as 0.498 and 0.239 A/W, respectively, with $\Lambda $ as small as $7.99\,\,\mu \text{m}^{-{4}}$ . Furthermore, a possible practical implementation of the HfO2-assisted PD design is reported while analyzing it with Au electrodes and 10-nm-thick zinc oxide (ZnO) layer. This analysis comprises of dark current ( ${I}_{\text {dark}}$ ) estimation followed by detectivity ( ${D}$ ) evaluation. SiO2–HfO2 (1 nm)–ZnO (10 nm)–Au NP (6 nm radius) structure (with surrounding medium RI = 1.33) achieves that the values of ${A}$ , $\lambda _{{0}}$ , $\eta $ , $\rho $ , $\Lambda $ , ${I}_{\text {dark}}$ , and ${D}$ are 0.312 a.u., 587.96 nm, 0.476, 0.225 A/W, $8.367 ~\mu \text{m}^{\mathbf {-4}}$ , $3.6\times 10^{-{16}}$ A, and $1.48\times 10^{12}$ Jones, respectively. Furthermore, the proposed PD design is able to provide superior performance (i.e., small ${I}_{\text {dark}}$ and $\Lambda $ along with large values of ${D}$ and $\rho $ ) compared to recently reported PD designs.

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