Фотодетектор преодолел предел 100% эффективности

Исследователи из Университета Аалто разработали черный кремниевый фотодетектор, эффективность которого превышает 130%. Таким образом, фотоэлектрическое устройство впервые превысило 100%-ный предел, который ранее считался теоретическим максимумом для внешней квантовой эффективности.

«Когда мы увидели результаты, мы с трудом поверили своим глазам. Мы сразу же захотели проверить результаты с помощью независимых измерений», — говорит профессор Хеле Савин, руководитель исследовательской группы электронной физики в Университете Аалто.

Независимые измерения были выполнены Немецким национальным метрологическим институтом Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), который, как известно, предоставляет самые точные и надежные измерительные услуги в Европе.

Руководитель лаборатории детекторной радиометрии PTB д-р Лутц Вернер комментирует: «Увидев результаты, я сразу понял, что это значительный прорыв и в то же время долгожданный шаг вперед для нас, метрологов, мечтающих о более высокой чувствительности».

Секрет прорыва — это уникальные наноструктуры.

Внешний квантовый выход устройства составляет 100%, когда один входящий фотон генерирует один электрон для внешней цепи. Эффективность 130% означает, что один входящий фотон генерирует примерно 1,3 электрона.

Исследователи выяснили, что причина исключительно высокой внешней квантовой эффективности кроется в процессе размножения носителей заряда внутри кремниевых наноструктур, который запускается фотонами высокой энергии. Это явление не наблюдалось ранее в реальных устройствах, поскольку наличие электрических и оптических потерь уменьшало количество собранных электронов.

«Мы можем собрать все умноженные носители заряда без необходимости отдельного внешнего смещения, поскольку наше наноструктурированное устройство не имеет потерь на рекомбинацию и отражение», — объясняет профессор Хеле Савин.

На практике эффективность записи означает, что производительность любого устройства, использующего обнаружение света, может быть значительно улучшена. Обнаружение света уже широко используется в нашей повседневной жизни, например, в автомобилях, мобильных телефонах, умных часах и медицинских устройствах.

Результаты, ведущие к рекордной эффективности, были приняты для публикации в Physical Review Letters в статье под названием «Черно-кремниевые ультрафиолетовые фотодиоды достигают внешней квантовой эффективности выше 130%».

Garin et al. Black-silicon ultraviolet photodiodes achieve external quantum efficiency above 130%, Physical Review Letters (2020). journals.aps.org/prl/accepted/ … 234ffbcb06f4a5ba1ac5 , arxiv.org/abs/1907.13397