Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/8578
Title: Integration of plasmonic gratings into optoelectronic devices
Other Titles: Integrazione di reticoli plasmonici in dispositivi optoelettronici
Authors: Sammito, Davide
Supervisore/Tutore: Romanato, Filippo
Issue Date: 9-Apr-2013
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: ABSTRACT This thesis deals with the control of light absorption in semiconductor devices by the plasmonic resonances of periodically arranged metallic nanostructures integrated on them. Metallic gratings support propagating (SPP) and localized (LSP) plasmonic excitations and surface plasmons-related phenomena, like Extraordinary Optical Transmission (EOT) and plasmonic band gaps, as well as conventional diffraction effects. We combine all the optical resonances outlined to tune the incoupling and distribution of incident photons in the absorbing semiconductor substrate. In particular we consider the application of these concepts to two typologies of optoelectronic devices: photovoltaic solar cells and phototransistors. In the case of photovoltaic devices the objective is to increase the energy conversion efficiency by enhancing light harvesting and re-shaping the absorption profile, in order to improve the collection of photo-generated charge carriers. We begin analyzing a case study, a one-dimensional lamellar grating placed on a silicon substrate, by numerical optical simulations. The aim is to find the coupling conditions of the resonances supported, by designing the geometric parameters of the nanostructures, and showing their impact on the generation profile. These findings are then applied for light trapping purpose to two realistic solar cell layouts. SPP and LSP resonances are able to provide high near field magnification and effectively enhance the absorption of ultrathin organic solar cells. On the other hand, EOT coupled to diffraction orders are more suited to wafer-based Si cells. Then we present the fabrication process developed to realize the designed nanostructures over the large surface area of Si photovoltaic devices. By experiments and simulation we show that an improvement of Internal Quantum Efficiency can be obtained compared to unpatterned devices. Concerning the phototransistors, the aim is use them as compact and scalable biosensors by integrating a plasmonic crystal on the active area. By simulations the grating is designed to maximize transmittance variation due the plasmon resonance shift related to the surface binding of bio-analyte molecules. This event is transduced into an electrical signal at device terminals, as confirmed by characterizations on the first prototypes fabricated. The metallic grating simultaneously works as plasmonic structure and as electronic gate of the transistor in a fully integrated architecture.
SOMMARIO In questa tesi viene trattata la tematica del controllo dell’assorbimento di luce in dispositivi a semiconduttore tramite le risonanze plasmoniche proprie di nanostrutture metalliche integrate con disposizione periodica. Reticoli metallici supportano eccitazioni plasmoniche propaganti (SPP) e localizzate (LSP) e fenomeni correlati ai plasmoni di superficie, quali la trasmissione ottica straordinaria (EOT) e la creazione band gap plasmoniche, così come effetti di diffrazione convenzionali. Tali risonanze ottiche sono state combinate per regolare l’accoppiamento e la distribuzione dei fotoni incidenti in substrati semiconduttori assorbenti. In particolare consideriamo l’applicazione di tali concetti a due tipologie di dispositivi optoelettronici: celle solari fotovoltaiche e foto-transistor. Nel caso dei dispositivi fotovoltaici, l’obiettivo è aumentare l’efficienza di conversione energetica tramite una maggiore raccolta di luce e la redistribuzione del profilo di assorbimento, in modo da migliorare la raccolta dei portatori di carica fotogenerati. L’analisi di un caso di studio, un reticolo lamellare monodimensionale posto su un substrato di silicio, tramite simulazioni ottiche per via numerica, serve a trovare le condizioni di accoppiamento delle risonanze supportate, dimensionando i parametri geometrici delle nanostrutture, e mostrare il loro impatto sul profilo di generazione. Questi risultati sono quindi applicati, per finalità di “light trapping”, a due strutture realistiche di celle solari. Le risonanze SPP e LSP sono capaci di fornire una grande intensificazione del campo vicino e aumentano efficacemente l’assorbimento di celle solari organiche ultra-sottili. D’altro canto, la combinazione di EOT e ordini di diffrazione è più adatta per celle solari spesse in Si. Quindi presentiamo il processo di fabbricazione sviluppato per realizzare le nanostrutture progettate sulle ampie superfici dei dispositivi fotovoltaici in Si. Esperimenti e simulazioni mostrano che è possibile ottenere un aumento dell’efficienza quantica interna rispetto ai dispositivi non nanostrutturati. Per quanto riguarda i foto-transistor, l’obiettivo è utilizzarli come biosensori compatti e scalabili tramite l’integrazione di cristalli plasmonici sull’area attiva. Il reticolo è stato progettato in modo da massimizzare variazioni di trasmittanza dovute alla modulazione delle risonanze plasmoniche indotta dal legame di bio-molecole sulla superficie. Questo evento è trasdotto in un segnale elettrico misurabile ai capi del dispositivo, come confermato dalle caratterizzazioni sui primi prototipi fabbricati. Il reticolo metallico funziona simultaneamente come struttura plasmonica e come gate elettronico del transistor in un’architettura totalmente integrata.
Ciclo di dottorato: XXV Ciclo
metadata.dc.subject.classification: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN NANOTECNOLOGIE
Description: 2011/2012
Keywords: Plasmonics
Photovoltaics
Biosensors
Nanofabrication
Language: en
Type: Doctoral Thesis
Settore scientifico-disciplinare: FIS/03 FISICA DELLA MATERIA
NBN: urn:nbn:it:units-9983
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