Фізики з Університету Аалто розробили фотодетектор з рекордною зовнішньою квантовою ефективністю - 96 відсотків в інтервалі від середнього ультрафіолету до ближнього інфрачервоного випромінювання. При цьому пристрій обходить за своїми параметрами існуючі детектори, що працюють в набагато більш вузьких спектральних діапазонах (наприклад, тільки ультрафіолетові). Вчені відзначають, що завдяки структурованій поверхні детектор може працювати і при падінні світла під великими кутами - до 70 градусів. Одним з його застосувань, зазначають автори, може стати протезування сітківки ока. Дослідження опубліковано в журналі, коротко про нього повідомляє прес-реліз університету.
Простим прикладом фотодетекторів є пікселі матриці фотоапарата. Як правило детектори являють собою напівпровідникові прилади, в яких, під дією падаючих фотонів, з'являються носії зарядів. Це призводить до виникнення електричного струму. Однією з найважливіших характеристик фотодетекторів є квантова ефективність. Це відношення кількості фотонів, що потрапили на пристрій, до кількості носіїв зарядів, які виникли через цю взаємодію. Чим більша ця величина, тим чутливішим є детектор або піксель матриці.
Розрізняють внутрішню і зовнішню ефективності: перша відноситься тільки до фотонів, поглинених приладом, друга - до всіх фотонів, які потрапили на пристрій. Внутрішня ефективність знижується через рекомбінацію носіїв зарядів: поглинання фотону призводить до утворення електрону і дірки, які можуть взаємознищитися. На зовнішню ефективність впливає відображення від поверхні детектора - деякі фотони замість поглинання просто відбиваються. Для того щоб зменшити відображення, використовуються складні наноструктуровані поверхні - наприклад, покритий наноглами «чорний кремній». Але велика питома площа поверхні одночасно посилює рекомбінацію носіїв зарядів у напівпровідниках. Крім того, рекомбінація відбувається і на дефектах напівпровідників (наприклад, допуючих атомах), без яких неможливо створення p-n-переходів.
Автори нової роботи знайшли спосіб виправити цей баланс. У складі p-n-переходу, традиційного для фотодетекторів, фізики замінили p-напівпровідник на оксид алюмінію, що значно скорочує швидкість рекомбінації. У ролі n-напівпровідника виступав кремній.
Вчені за допомогою іонного цькування сформували на поверхні кремнію масив наноігл і осадили поверх нього оксид алюмінію. Вийшов «сандвіч» з чорного кремнію і окису алюмінію, з обох сторін до якого були підведені контакти. Наногли відігравали роль антивідбиваючого шару, що змушував фотони багаторазово відбиватися і поглинатися в детекторі.
Під час випробувань виявилося, що детектор близький до ідеального фотодіоду в діапазоні довжин хвиль від 250 до 950 нанометрів. Зовнішня квантова ефективність пристрою досягла 96 відсотків. Автори порівняли його з комерційно доступними фотодіодами, що працюють у вузьких діапазонах довжин хвиль. Виявилося, що за винятком невеликої спектральної області при 400 нанометрах, пристрій перевершував своїх конкурентів. Ефективність фотодетектора зберігалася і при ковзному падінні променів - при відхиленні від вертикалі аж до 70 градусів.
За словами дослідників, подібні фотодетектори можуть знайти застосування в сцинтиляційній техніці, що використовується для детектування рентгенівських променів. Іншим незвичайним варіантом використання таких чутливих пристроїв можуть стати протези сітківки, чутливі до ультрафіолету та інфрачервоного випромінювання крім видимого діапазону.
Протези сітківки ока - фоточутливі пристрої, що підключаються безпосередньо до зорового нерва. Вони здатні замінити собою сітківку, однак, на сьогоднішньому рівні розвитку техніки, головна їх проблема полягає в невисокій вирішальній здатності. Існуючі прототипи дозволяють лише розрізняти силуети людей. Минулого року інженери зі Стенфордського університету описали і протестували протез сітківки високого дозволу на щурах. Еквівалентна гострота зору, що розвивається протезом, дозволила б людині прочитати верхній рядок офтальмологічної таблиці.