Влияние толщины n-Si подложки и уровня ее легирования на поглощающие свойства кремниевых плазмонных структур в инфракрасном диапазоне

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. 

1. K. Gorgulu, A. Gok, M. Yilmaz, K. Topalli, N. Bıyıklı, A. K. Okyay. Sci. Rep., 6 (2016) 38589

2. T. Taliercio, P. Biagioni. Nanophotonics, 8, N 6 (2019) 949—990

3. M. Desouky, A. M. Mahmoud, M. A. Swillam. Sci. Rep., 8 (2018) 2036

4. A. I. Mukhammad, K. V. Chizh, V. G. Plotnichenko, V. A. Yuryev, P. I. Gaiduk. Semiconductors, 54, N 14 (2020) 1889—1892

5. G. V. Naik, V. M. Shalaev, A. Boltasseva. Adv. Mat., 25, N 24 (2013) 3264—3294

6. J. 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—1399

7. A. Das, J. J. Talghader. J. Opt. Soc. Am. B, 38, N 1 (2021) 183—192

8. B. Gallinet, J. Butet, O. J. F. Martin. Laser Photon. Rev., 9, N 6 (2015) 577—603

9. Nanophotonic FDTD Simulation Software [Electronic resource], Lumerical FDTD – Mode of access, https://www.lumerical.com/products/fdtd, Date of access: 01.2020

10. E. D. Palik. Handbook of Optical Constants of Solids, 2, Academic Press (1985)

11. K. Luke, Y. Okawachi, M. R. E. Lamont, A. L. Gaeta, M. Lipson. Opt. Lett., 40, N 21 (2015) 4823—4826

12. C. A. Майер. Плазмоника: теория и приложения, Ижевск, НИЦ “Регулярная и хаотическая динамика” (2011)

13. R. Kitamura, L. Pilon, M. Jonasz. Appl. Opt., 46, N 33 (2007) 8118—8133