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Halbleitersensoren mit hoher UV-Empfindlichkeit

Neue Photodiode aus schwarzem Silizium erreicht Quantenausbeute von über 130 % im UV

PTBnews 1.2021
07.01.2021
Besonders interessant für

Spektroskopie

Biotechnologie

industrielle Prozesskontrolle

Photodioden für den ultravioletten (UV-) Spektralbereich werden in einer Vielzahl von Anwendungen wie zum Beispiel der Spektroskopie, Bildgebung, Flammendetektion, Wasseraufbereitung und Biotechnologie eingesetzt. Ihre Empfindlichkeit ist aber bisher durch Verlustprozesse stark limitiert. Mit einer neuartigen Photodiode konnte die Quantenausbeute von rund 80 % auf über 130 % gesteigert werden.

Elektronenmikroskopisches Bild der säulenartigen Nanostrukuren auf der Silizium-Oberfläche der Photodiode (Quelle: T. Pasanen/Aalto Univ.)

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 stets die externe Quantenausbeute betrachtet, d. h. die Anzahl der pro Photonen nachgewiesenen Ladungsträgerpaare. Forschern aus Finnland, Spanien und Deutschland ist es gelungen, eine neuartige Silizium-Photodiode zu entwickeln, 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.

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

Ansprechpartner

Lutz Werner
Fachbereich 7.3
Detektorradiometrie und Strahlungsthermometrie
Telefon: (030) 3481-7325
Opens local program for sending emaillutz.werner(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

M. Garin, J. Heinonen, L. Werner, T. P. Pasanen, V. Vähänissi, A. Haarahiltunen, M. A. Juntunen, H. Savin: Blacksilicon ultraviolet photodiodes achieve external quantum efficiency above 130 %. Phys. Rev. Lett. 125, 117702 (2020)