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Photodiode mit UV-Quantenausbeute von über 130 % gemessen

13.11.2020

Elektronenmikroskopisches Bild der säulenartigen Nanostrukuren auf der Silizium-Oberfläche der Photodiode (Bildnachweis: Toni Pasanen/Aalto University)

Am Markt verfügbare Halbleitersensoren weisen nur eine sehr begrenzte Ultraviolett (UV)-Empfindlichkeit auf. Selbst die besten konventionellen 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 Lichtteilchen nachgewiesenen Ladungsträgerpaare. Die UV-Empfindlichkeit einer Photodiode ist durch zwei fundamentale technologische Hürden limitiert: zum einen die hohen Reflektionsverluste der einfallenden Strahlung direkt an der Oberfläche, und zum anderen die oberflächennahe Rekombination der erzeugten Ladungsträger.

Einer Gruppe von Kooperationspartnern aus Finnland und Spanien ist es nun gelungen, eine neuartige Silizium-Photodiode zu entwickeln, die eine Quantenausbeute von über 130 % im UV erreicht. Durch eine nanostrukturierte Oberfläche mit säulen- und kegelförmiger Morphologie konnte die Reflektivität an der Diodenoberfläche verringert werden. Die bei herkömmlichem Silizium sonst bläulich schimmernde Oberfläche ist nun schwarz. Die durch die Nanostrukturierung eigentlich erwartbare erhöhte Oberflächenrekombination konnte durch eine Passivierung der Oberfläche mit Al2O3 reduziert werden. 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 PTB, mit ihren Möglichkeiten zur präzisen Messung durch radiometrische Rückführung in der UV-Detektorradiometrie, konnte diese hohen Empfindlichkeiten messtechnisch validieren.

Publikation: M. Garin, J. Heinonen, L. Werner, T. P. Pasanen, V. Vähänissi, A. Haarahiltunen, M. A. Juntunen, H. Savin: Black-silicon ultraviolet photodiodes achieve external quantum efficiency above 130 %. Phys. Rev. Lett. 125, 117702 (2020)
doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.117702

Ansprechpartner:

L. Werner, 7.33, E-Mail: Opens local program for sending emailLutz.Werner(at)ptb.de