Новый фотоприемник может улучшить оптоэлектронику

В наноразмерном фотодетекторе, который сочетает в себе уникальный метод изготовления и структуры захвата света, команда инженеров преодолела препятствия для повышения производительности в оптоэлектронных устройствах – таких как сенсоры камеры или солнечные элементы – без увеличения объема.

В сегодняшней все более мощной электронике наноразмерные материалы необходимы, поскольку изготовители стремятся повысить производительность без увеличения объема.

Уменьшение объема также желательно для оптоэлектронных устройств, таких как датчики камеры или солнечные элементы, которые собирают свет и преобразуют его в электрическую энергию. Подумайте, например, о снижении размера и веса пакета солнечных панелей, создании более качественных фотографий в условиях низкой освещенности или даже более быстрой передачи данных.

Однако на пути стояли две основные проблемы: во-первых, сокращение размера традиционно используемых «аморфных» тонкопленочных материалов также снижает их качество. Во-вторых, когда материалы становятся слишком тонкими, они становятся почти прозрачными и фактически теряют способность собирать или поглощать свет.

Теперь, в наноразмерном фотодетекторе, который сочетает в себе уникальный метод изготовления и структуры захвата света, команда инженеров из Университета Висконсин-Мэдисон и Университета в Буффало (UB) преодолела оба эти препятствия.

Исследователи, профессора электротехники Чжэньцян (Джек) Ма (Zhenqiang (Jack) Ma) и Зонфу Ю (Zongfu Yu) из Университета Висконсин-Мэдисон и Цяоцан Гань (Qiaoqiang Gan) из UB, описали свое устройство - однокристальный наномембранный германиевый фотодетектор на нанополостной подложке - в журнале Science Advances.

«Идея заключается в том, что вы хотите использовать очень тонкий материал для реализации той же функции устройств, в которой вам нужно использовать очень толстый материал», - говорит проф. Ма.

Устройство состоит из нанополостей, располагающихся между верхним слоем ультратонкого монокристаллического германия и отражающим слоем серебра.

«Из-за нанополостей фотоны ”рециркулируют”, поэтому поглощение света существенно увеличивается даже в очень тонких слоях материала», - говорит проф. Ма.

Нанополости состоят из упорядоченной серии взаимосвязанных молекул, которые по существу отражают свет или заставляют его рециркулировать. Проф. Гань уже показал, что его наноразмерные структуры увеличивают количество света, которое могут поглотить тонкие полупроводниковые материалы, такие как германий.

Однако большинство германиевых тонких пленок формируются как германий в его аморфной форме - это означает, что атомы материала теряют регулярность повторяющегося порядка кристалла. Это также означает, что его качество недостаточно для все более уменьшающихся приложений для оптоэлектроники.

Именно здесь вступает в игру опыт проф. Ма. Мировой эксперт в полупроводниковых наномембранных устройствах проф. Ма использовал революционную технологию мембранной передачи, которая позволяет ему легко интегрировать однокристаллические полупроводниковые материалы с подложкой.

В результате получается очень тонкий, но очень эффективный, светопоглощающий фотоприемник - строительный блок для будущего оптоэлектроники.

«Это успешная технология, которая позволяет вам увидеть широкий спектр оптоэлектроники, которая может иметь еще меньшие посадочные места и меньшие размеры», - говорит проф. Ю, который проводил вычислительный анализ детекторов.

Хотя исследователи продемонстрировали свои успехи, используя германиевый полупроводник, они также могут применить свой метод к другим полупроводникам.

«И что важно, настраивая нанополость, мы можем контролировать, какую длину волны мы фактически поглощаем, - говорит проф. Гань. - Это откроет путь для разработки множества различных оптоэлектронных устройств».

Выпускник Университета Висконсин-Мэдисон по электротехнике и вычислительной технике Дженьян Ся (Zhenyang Xia) держит чашку, содержащую образцы фотоприемника. Цвета образцов варьируются в зависимости от того, на поглощения какой длины волны света они настроены

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365