Enhanced Near-Infrared Absorption in Au-Hyperdoped Si: Interplay Between Mid-Gap States and Plasmon Resonance

红外线的 吸收率 表面等离子共振 吸收(声学) 材料科学 光学 光电探测器 等离子体子 近红外光谱 光电子学 物理 纳米技术 纳米颗粒 复合材料 反射率
作者
Songyuan Peng,Tingting Wang,Mohd Saif Shaikh,René Hübner,Mingyang Tian,Yijia Huang,René Heller,Jianqi Zhu,Yarong Su,Yun Li,Zhengwei Xie,Ling Li,Shengqiang Zhou,Mao Wang
出处
期刊:Optics Express [The Optical Society]
卷期号:32 (19): 32966-32966
标识
DOI:10.1364/oe.532127
摘要

Detecting near-infrared (NIR) light with high efficiency is crucial for photodetectors that are applied in optical communication systems. Si hyperdoped with deep-level impurities provides a monolithic platform for infrared optoelectronics with room-temperature operation at telecommunication wavelengths. In this work, we present strongly enhanced NIR absorption via the hybridization between plasmon resonance and mid-gap states in Au-hyperdoped Si layers, prepared by ion implantation and pulsed laser melting. The Au-hyperdoped Si layers exhibit high-quality recrystallization with the substitution of Au atoms into the Si matrix and the formation of Au nanoparticles on the surface. Surprisingly, the Au-hyperdoped Si layers exhibit a NIR absorption with spectral response extending up to 1650 nm and a maximum absorptance up to 30%. According to electromagnetic simulations, the enhanced infrared photoresponse can be attributed to the mid-gap states induced by substitutional Au atoms and the localized surface plasmon resonance associated with the Au nanoparticles. This work presents a simplified one-step process to gain significant enhancement of NIR absorption, which paves a way for the realization of Si-based photodetectors with room-temperature operation and outstanding performance.
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