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Quantenausbeute steigt auf über 130 %

Hochempfindliche Photodiode aus schwarzem Silizium

18. Januar 2021, 18:50 Uhr | Nicole Wörner

Elektronenmikroskopisches Bild der säulenartigen Nanostrukuren auf der Silizium-Oberfläche der Photodiode

Wie die PTB bestätigt, erhöht eine neue Photodiode aus schwarzem Silizium - b-Si - die Quantenausbeute im UV von rund 80 % auf über 130 %. Damit könnte sie Anwendungen wie etwa Spektroskopie, Bildgebung und Biotechnologie revolutionieren.

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Am Markt verfügbare Halbleitersensoren weisen nur eine sehr begrenzte UV-Empfindlichkeit auf. Selbst die besten UV-Photodioden haben eine Quantenausbeute von unter 80 % im Spektralbereich zwischen 200 nm und 300 nm. Hierbei wird die externe Quantenausbeute betrachtet, das heißt die Anzahl der pro Photonen nachgewiesenen Ladungsträgerpaare.

Forscher aus Finnland, Spanien und Deutschland haben nun eine neuartige Silizium-Photodiode entwickelt, die eine Quantenausbeute von über 130 % im UV erreicht. Die PTB mit ihren Möglichkeiten zur präzisen Messung durch radiometrische Rückführung in der UV-Detektorradiometrie konnte diese hohen Empfindlichkeiten messtechnisch validieren.

Hintergrund

Die UV-Empfindlichkeit einer Photodiode ist durch zwei fundamentale technologische Hürden limitiert: zum einen die hohen Reflexionsverluste der einfallenden Strahlung direkt an der Oberfläche und zum anderen die oberflächennahe Rekombination der erzeugten Ladungsträger. Die erste Hürde wurde durch eine nanostrukturierte Oberfläche mit säulen- und kegelförmiger Morphologie überwunden, die eine sehr geringe Reflektivität aufweist. Die bei herkömmlichem Silizium bläulich schimmernde Oberfläche ist nun schwarz.

Die durch die Nanostrukturierung eigentlich erwartbare erhöhte Rate der Oberflächenrekombination konnte durch eine Passivierung der Oberfläche mit Al2O3 reduziert werden, womit auch die zweite Hürde überwunden wurde. Die in der Al2O3-Schicht verbleibende Oberflächenladung induziert einen pn-Übergang im Silizium. Hierdurch kann auf die Dotierung mit Fremdatomen zur Erzeugung des für die Photodiode notwendigen pn-Überganges verzichtet werden, was ebenfalls zur hohen Quantenausbeute beiträgt.

Die gewonnenen Erkenntnisse lassen vermuten, dass die Quantenausbeute der Photodioden aus schwarzem („black“) Silizium (b-Si) sogar noch weiter erhöht werden kann. Und: Die Kombination aus Nanostrukturierung der Oberfläche und dem durch Oberflächenpassivierung induziertem pn-Übergang kann perspektivisch auch bei anderen Halbleitermaterialien eingesetzt werden.