Физики из Университета Аалто разработали фотодетектор с рекордной внешней квантовой эффективностью — 96 процентов в интервале от среднего ультрафиолета до ближнего инфракрасного излучения. При этом устройство обходит по своим параметрам существующие детекторы, работающие в гораздо более узких спектральных диапазонах (например, только ультрафиолетовые). Ученые отмечают, что благодаря структурированной поверхности детектор может работать и при падении света под большими углами — до 70 градусов. Одним из его применений, отмечают авторы, может стать протезирование сетчатки глаза. Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics, кратко о нем сообщает пресс-релиз университета.

Простым примером фотодетекторов являются пиксели матрицы фотоаппарата. Как правило детекторы представляют собой полупроводниковые приборы, в которых, под действием падающих фотонов, появляются носители зарядов. Это приводит к возникновению электрического тока. Одной из важнейших характеристик фотодетекторов является квантовая эффективность. Это отношение количества фотонов, попавших на устройство, к количеству носителей зарядов, которые возникли из-за этого взаимодействия. Чем больше эта величина, тем чувствительнее детектор или пиксель матрицы.

Различают внутреннюю и внешнюю эффективности: первая относится только к фотонам, поглощенным прибором, вторая — ко всем фотонам, которые попали на устройство. Внутренняя эффективность снижается из-за рекомбинации носителей зарядов: поглощение фотона приводит к образованию электрона и дырки, которые могут взаимоуничтожиться. На внешнюю эффективность влияет отражение от поверхности детектора — некоторые фотоны вместо поглощения просто отражаются. Для того чтобы уменьшить поглощение, используются сложные наноструктурированные поверхности — например, покрытый наноиглами «черный кремний». Но большая удельная площадь поверхности одновременно усиливает рекомбинацию носителей зарядов в полупроводниках. Кроме того, рекомбинация происходит и на дефектах полупроводников (например, допирующих атомах), без которых невозможно создание p-n-переходов.

Поверхность детектора (кремний, покрытый оксидом алюминия). Mikko A. Juntunen et al. / Nature Photonics, 2016

Авторы новой работы нашли способ исправить этот баланс. В составе p-n-перехода, традиционного для фотодетекторов, физики заменили p-полупроводник на оксид алюминия, значительно сокращающий скорость рекомбинации. В роли n-полупроводника выступал кремний. 

Ученые с помощью ионного травления сформировали на поверхности кремния массив наноигл и осадили поверх него оксид алюминия. Получился «сандвич» из черного кремния и окиси алюминия, с обоих сторон к которому были подведены контакты. Наноиглы играли роль антиотражающего слоя, заставлявшего фотоны многократно отражаться и поглощаться в детекторе.

Строение фотодетектора. Mikko A. Juntunen et al. / Nature Photonics, 2016

В ходе испытаний оказалось, что детектор близок к идеальному фотодиоду в диапазоне длин волн от 250 до 950 нанометров. Внешняя квантовая эффективность устройства достигла 96 процентов. Авторы сравнили его с коммерчески доступными фотодиодами, работающими в узких диапазонах длин волн. Оказалось, что за исключением небольшой спектральной области при 400 нанометрах, устройство превосходило своих конкурентов. Эффективность фотодетектора сохранялась и при скользящем падении лучей — при отклонении от вертикали вплоть до 70 градусов.

По словам исследователей, подобные фотодетекторы могут найти применение в сцинтилляционной технике, используемой для детектирования рентгеновских лучей. Другим необычным вариантом использования таких чувствительных устройств могут стать протезы сетчатки, чувствительные к ультрафиолету и инфракрасному излучению помимо видимого диапазона. 

Протезы сетчатки глаза — фоточувствительные устройства, подключаемые напрямую к зрительному нерву. Они способны заменить собой сетчатку, однако, на сегодняшнем уровне развития техники, главная их проблема состоит в невысокой разрешающей способности. Существующие прототипы позволяют лишь различать силуэты людей. В прошлом году инженеры из Стенфордского университета описали и протестировали протез сетчатки высокого разрешения на крысах. Эквивалентная острота зрения, развиваемая протезом, позволила бы человеку прочесть верхнюю строку офтальмологической таблицы. 

Автор: Владимир Королёв