zhpsЖурнал прикладной спектроскопииZhurnal Prikladnoii Spektroskopii0514-7506B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences10.47612/0514-7506-2021-88-6-887-894zhps-935Research ArticleСтатьиВлияние толщины n-Si подложки и уровня ее легирования на поглощающие свойства кремниевых плазмонных структур в инфракрасном диапазонеInfluence of the thickness of the n-Si substrate and its doping level on the absorbing properties of silicon plasmon structures in the infrared rangeМухаммадА. И.MukhammadA. I.

Минск

Minsk

mukhammad@bsu.byГайдукП. И.GaidukP. I.

Минск

Minsk

Белорусский государственный университетBelarusian State University202128112021886887894Copyright © Мухаммад А.И., Гайдук П.И., 20212021Мухаммад А.И., Гайдук П.И.Mukhammad A.I., Gaiduk P.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/935

С использованием метода конечных разностей во временной области рассчитаны спектры поглощения структур Si/SiO2/Si3N4/Si+ и Si/SiO2/Si+ с островковым поверхностным слоем в зависимости от толщины подложки и уровня ее легирования. Обнаружено, что толщина i-Si подложки не влияет на общую величину поглощения структуры. При этом увеличение толщины n-Si подложки приводит к уширению полосы поглощения интенсивностью >70 %. Установлено, что уровень легирования подложки оказывает влияние на поглощение структур и ширину полосы с поглощением >80 %. Показано, что при уровне легирования подложки в диапазоне 2 × 1019—5 × 1019 см–3 сохраняется широкая полоса поглощения интенсивностью >80 %. Для доказательства существования плазмонных эффектов проанализированы дисперсионные соотношения колебаний, возникающих в структуре Si+/SiO2/Si+ с неструктурированным поверхностным слоем. Установлено, что нарушение фазового синхронизма мод на обеих границах раздела Si/диэлектрик при существенной разнице между уровнями легирования подложки и поверхностного слоя может влиять на уменьшение поглощения. 

The absorption spectra of Si/SiO2/Si3N4/Si+ and Si/SiO2/Si+ structures with an island surface layer are calculated using the finite difference time domain method. The absorption spectra were modeled depending on the thickness of the substrate and its doping level. It was found that the thickness of the i-Si substrate does not affect the overall absorption of the structure. At the same time, an increase in the thickness of the n-Si substrate leads to an expansion of the absorption band with an intensity of more than 70%. It is established that the doping level of the substrate affects the absorption value of the structures and bandwidth with an absorption value above 80%. It is shown that a wide absorption band with intensity of more than 80% occurs at the doping level of the substrate in the range of 2 × 1019—5 × 1019 cm–3 . Dispersion relations in the Si+/SiO2/Si+ structure with an unstructured surface layer are obtained. These dispersion relations may indicate the existence of plasmon oscillations in the system. It is established that a violation of the phase synchronization of the modes at both Si/dielectric interfaces at a significant difference between the doping levels of the substrate and the surface layer can lead to a decrease in the absorption. 

плазмонное поглощениекремниевая структураспектр поглощениялегированный кремнийдисперсионная криваяplasmonic absorptionsilicon structureabsorption spectrumdoped silicondispersion curveРабота проведена при финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (проект № Т18Р-190) и Министерства образования РБ (грант № 20211829).ReferencesK. Gorgulu, A. Gok, M. Yilmaz, K. Topalli, N. Bıyıklı, A. K. Okyay. Sci. Rep., 6 (2016) 38589K. Gorgulu, A. Gok, M. Yilmaz, K. Topalli, N. Bıyıklı, A. K. Okyay. Sci. Rep., 6 (2016) 38589T. Taliercio, P. Biagioni. Nanophotonics, 8, N 6 (2019) 949—990T. Taliercio, P. Biagioni. Nanophotonics, 8, N 6 (2019) 949—990M. Desouky, A. M. Mahmoud, M. A. Swillam. Sci. Rep., 8 (2018) 2036M. Desouky, A. M. Mahmoud, M. A. Swillam. Sci. Rep., 8 (2018) 2036A. I. Mukhammad, K. V. Chizh, V. G. Plotnichenko, V. A. Yuryev, P. I. Gaiduk. Semiconductors, 54, N 14 (2020) 1889—1892A. I. Mukhammad, K. V. Chizh, V. G. Plotnichenko, V. A. Yuryev, P. I. Gaiduk. Semiconductors, 54, N 14 (2020) 1889—1892G. V. Naik, V. M. Shalaev, A. Boltasseva. Adv. Mat., 25, N 24 (2013) 3264—3294G. V. Naik, V. M. Shalaev, A. Boltasseva. Adv. Mat., 25, N 24 (2013) 3264—3294J. Poumirol, C. Majorel, N. Chery, C. Girard, P. R. Wiecha, N. Mallet, R. Monflier, G. Larrieu, F. Cristiano, A. Royet, P. A. Alba, S. Kerdiles, V. Paillard, C. Bonafos. ACS Photonics, 8, N 5 (2021) 1393—1399J. Poumirol, C. Majorel, N. Chery, C. Girard, P. R. Wiecha, N. Mallet, R. Monflier, G. Larrieu, F. Cristiano, A. Royet, P. A. Alba, S. Kerdiles, V. Paillard, C. Bonafos. ACS Photonics, 8, N 5 (2021) 1393—1399A. Das, J. J. Talghader. J. Opt. Soc. Am. B, 38, N 1 (2021) 183—192A. Das, J. J. Talghader. J. Opt. Soc. Am. B, 38, N 1 (2021) 183—192B. Gallinet, J. Butet, O. J. F. Martin. Laser Photon. Rev., 9, N 6 (2015) 577—603B. Gallinet, J. Butet, O. J. F. Martin. Laser Photon. Rev., 9, N 6 (2015) 577—603Nanophotonic FDTD Simulation Software [Electronic resource], Lumerical FDTD – Mode of access, https://www.lumerical.com/products/fdtd, Date of access: 01.2020Nanophotonic FDTD Simulation Software [Electronic resource], Lumerical FDTD – Mode of access, https://www.lumerical.com/products/fdtd, Date of access: 01.2020E. D. Palik. Handbook of Optical Constants of Solids, 2, Academic Press (1985)E. D. Palik. Handbook of Optical Constants of Solids, 2, Academic Press (1985)K. Luke, Y. Okawachi, M. R. E. Lamont, A. L. Gaeta, M. Lipson. Opt. Lett., 40, N 21 (2015) 4823—4826K. Luke, Y. Okawachi, M. R. E. Lamont, A. L. Gaeta, M. Lipson. Opt. Lett., 40, N 21 (2015) 4823—4826C. A. Майер. Плазмоника: теория и приложения, Ижевск, НИЦ “Регулярная и хаотическая динамика” (2011)C. A. Майер. Плазмоника: теория и приложения, Ижевск, НИЦ “Регулярная и хаотическая динамика” (2011)R. Kitamura, L. Pilon, M. Jonasz. Appl. Opt., 46, N 33 (2007) 8118—8133R. Kitamura, L. Pilon, M. Jonasz. Appl. Opt., 46, N 33 (2007) 8118—8133

The authors declare that there are no conflicts of interest present.