黑硅光电探测器: 量子效率突破理论极限,达到130%

芬兰阿尔托大学的研究人员开发出一种黑硅光电探测器，其外部量子效率达130％以上，这是单个光伏器件首次超过了UV的100％外部量子效率极限，这一结果为大大提高光电探测设备的效率提供了新的途径。相关论文发表在《Physical Review Letters》上。

图1. 紫外光触发纳米结构中的电子倍增。图片来源：Wisa Förbom

紫外线（UV）传感器目前正在广泛的应用中，包括光谱学，成像，火焰检测，水净化和生物技术等，预计市场的年增长率约为30％。但市场上现有的半导体传感器的紫外线响应相对较差，在200-300 nm时，最佳灵敏度远低于80％。更好的响应将极大地受益于所有紫外线应用，从而提高了对可提供更高效率的替代技术的需求。更好的响应将极大扩展紫外线应用领域，从而需要一种能提供更高效率的替代技术。

传统上，肖克利-奎伊瑟极限(Shockley-Queisser, SQ) 极限被视为零偏压下单结光伏器件的最大理论效率。SQ的核心假设是一个光子最多可以生成一个电子空穴对，因此，即使热载流子是由高能紫外光子产生的，它们的多余能量被假定为热能而损失。然而，众所周知，这一限制可以通过载流子倍增的过程来克服，即利用热载流子的多余能量通过碰撞电离产生更多的电子空穴对的现象。事实上，硅和锗的内部量子效率（IQE）超过100% 的例子已经有报道，最近也有石墨烯-硅器件的相关报道。

通过高能光子进行载流子倍增似乎既可以增加传感器的灵敏度又可以规避SQ限制，但目前在实际的光伏设备中尚未得到成功证明。虽然其内部量子效率（IQE）取得了令人鼓舞的结果，但决定实际器件性能的外部量子效率（EQE）仍然相当低。

最新的紫外线光电二极管有两个基本的技术障碍需要解决：(i）高反射损耗和（ii）由于吸收深度很浅，光生载流子对表面复合有着极高的敏感性。最近提出的感应结黑硅光电二极管似乎是克服上述障碍最佳方案。它由无反射的纳米结构与有效的表面钝化以及由带电薄膜形成的结组成。初步结果显示其EQE接近100％。但是，尚未确认在紫外线范围内（低于300 nm）的性能，也不知道纳米结构内部的诱导结中的物理现象。

这里，研究人员开发出一种黑硅光电探测器，打破了理论上的单光子-单电子障碍，研究了感应结黑硅光电二极管在紫外线检测中的适用性，演示了一种在没有外部放大的情况下，在紫外线范围内超过130％外部量子效率的器件。首先，他们准确地确定了黑硅二极管的EQE，通过在德国国家计量学会物理技术研究所PTB（Physikalisch- Technische Bundesanstalt）进行的独立测量来验证结果，其测量的最大相对标准不确定度为0.4％，是欧洲最准确可靠的测量服务机构。

特别强调的是在紫外线范围（λ= 200–350 nm）内，研究表明，黑硅二极管在零偏压时显示出超过130％的极高响应，这意味着一个入射光子产生大约1.3个电子。为了更深入地了解物理现象，他们首先使用Silvaco-Atlas模拟了两种典型的纳米针状结构，分析了纳米针头内部的电场（E场）和静电势分布。然后，检查了具有平坦表面的相应感应结光电二极管的IQE。同时还将IQE频谱中的特征与已知具有载波倍增的设备中先前报道的特征进行了比较。最后，在纳米纹理光电二极管中模拟了IQE，并将其与实验中的IQE进行了比较，结果确定了导致EQE > 130％的相关物理机制。研究人员发现，异常高的外部量子效率的根源在于硅纳米结构内部发生的碰撞电离产生多载流子的有效利用，该电荷载流子倍增过程由高能光子触发，由于电和光损耗的存在减少了收集到的电子数量，因此在实际设备中尚未较早地观察到该现象。由于所提出的纳米结构器件没有重组和反射损失，因此他们可以收集到所有倍增的电荷载流子。

这一创纪录的效率可以大大提高光电探测设备的性能，例如在汽车，手机，智能手表和医疗设备中。所提出的黑硅探测器引发了广泛关注，尤其是在生物技术和工业过程监控领域。据悉，他们已开始制造这种探测器用于商业领域。