Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Эффективность фотодетектора ультрафиолета превысила 130 процентов

H.Savin et al/ Physical Review Letters, 2020

Физики смоделировали и изготовили детектор ультрафиолетового излучения с внешней квантовой эффективностью выше 130 процентов. В качестве активного материала они использовали наноструктуру из «черного кремния», которая позволила снизить отражательную способность поверхности. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт доступен на arXiv.org.

Квантовая эффективность показывает насколько хорошо фотодетектор преобразовывает фотоны падающего излучения в электроны. Теоретический предел Шокли-Квайссера говорит, что один пришедший на сенсор фотон может выбить не более одного электрона. Тем не менее, при облучении материала фотонами с большой энергией возможно образование «горячих» зарядов, которые в свою очередь могут ударяться об атомы этого материала, ионизировать их и приводить к дальнейшему рождению зарядов. В результате, один высокоэнергетичный фотон способен породить более одного электрона. В результате значение квантовой эффективности может превышать сто процентов.

Важно различать внешнюю и внутреннюю квантовые эффективности. Внешняя показывает отношение выбитых электронов ко всем фотонам, которые прилетели на фотодетектор. Однако часть фотонов отражается от поверхности и не попадает в структуру. Отношение числа выбитых электронов к поглощенным фотонам называется внутренней квантовой эффективностью, значение которой всегда выше величины внешней.


В 2016 году группа ученых под руководством Хеле Савин (Hele Savin) из университета Аалто продемонстрировала фотодетектор на основе наноструктуры из «черного кремния» и оксида алюминия с внешней квантовой эффективностью 96 процентов. Такое устройство может регистрировать длины волн в диапазоне от 250 до 950 нанометров и работать при падении света под большими углами — до 70 градусов.

В новой работе ученые в немного другом составе усовершенствовали предыдущую наноструктуру и сконцентрировались на длинах волн меньше 300 нанометров. Как и в прошлой работе, они использовали наноструктуры из «черного кремния». Отражательная способность такого материала ниже, чем у обычной плоской поверхности. То есть почти все фотоны, которые прилетают на детектор, попадают внутрь структуры. Авторы исследовали зависимость квантовой эффективности от длины волны падающего излучения. Для видимого диапазона и внешняя и внутренняя квантовые эффективности оказались близки к ста процентам, в то время как для излучения с длиной волны 200 нанометров эти значения превысили 130 процентов. Это связано с тем, что фотоны ультрафиолетового диапазона обладают большими энергиями и могут приводить к ударной ионизации.

В своей работе авторы смоделировали и изготовили два типа структур — конусообразные и столбчатые. Распределение электрических полей в обоих видах структур оказалось неравномерным: в верхней части структуры преобладает поле в направлении оси X, а в нижней — в Y-направлении. Это может быть связано с концентрацией зарядов оксида алюминия в определенной области образца. Если в эту область будет попадать излучение, то число вырвавшихся электронов окажется больше, чем для обычной плоской поверхности.


Сравнение параметров разработанного фотодетектора с существующими аналогами показало, что его внутренняя квантовая эффективность при больших энергиях уступает остальным. Тем не менее, из-за плохой отражательной способности наноструктуры внешняя квантовая эффективность такого устройства значительно выше значения для планарных фотодетекторов.

Добавление антиотражающей поверхности к обычным фотодетекторам также позволяет увеличить значения внешней квантовой эффективности. Тем не менее, использование наноструктуры оказалось эффективным в более широком диапазоне длин волн и углов падения. Помимо этого, производство таких наноструктур дешевле, чем наращивание антиотражающих слоев.

Наноструктуры активно применяются для различных оптических целей. Например, Физики из России, Австралии и США создали наноструктуру, которая преобразует инфракрасное излучение в зеленый свет. А китайские ученые заменили целую оптическую схему наноповерхностью из аморфного кремния.

Оксана Борзенкова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.