Des photodiodes UV au silicium “noir“ d’une efficacité quantique de130%

De nombreuses applications, comme, par exemple, la spectroscopie, l’imagerie, la détection d’incendie, le traitement des eaux, la biotechnologie, etc… requièrent des détecteurs dans l’ultra-violet de haute sensibilité. Or les performances des détecteurs existant dans ce domaine de longueur d’onde étaient médiocres, avec une efficacité quantique bien inférieure à 80%.

L’efficacité quantique EQ (QE, Quantum Efficiency en anglais) est le rapport entre le nombre de charges électroniques collectées et le nombre de photons incidents sur la surface photosensible.


Des chercheurs de l’Aalto University, Espoo, Finlande, de l’Universitat Central de Catalunya, Vic, Espagne, de l’Universitat Politecnica de Catalunya, Barcelone, Espagne, de la société EIFys, Espoo, Finland et de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Berlin, Allemagne, ont réussi à franchir largement la barrière des 100% d’efficacité quantique prévue par la théorie.

Pour cela  ils  utilisent la génération de  multiples porteurs par ionisation dans des nanostructures  en silicium “ noir“, b_Si, (en anglais black silicium).

Le silicium noir est un silicium dont la surface a été traitée pour obtenir une très faible réflectivité et donc une forte absorption de la lumière. Ceci est dû à une structure surfacique 3D en cônes ou en aiguilles (Fig.1. b,c ).
Elle s’obtient par des attaques variées, chimiques, électrochimiques ou encore par traitement laser.

Les propriétés de la jonction induite dans b_Si

La nanostructure de surface est combinée avec une passivation et entraîne la formation d’une jonction entre la surface « noire » et le Si dopé n (Fig.1.a).

Fig.1. Efficacité quantique de la photodiode en Si noir a)Efficacité quantique en fonction de la longueur d’onde. On remarque qu’elle vaut environ 100% dans le domaine visible et atteint 132% dans l’ultraviolet. Dans l’insert, on trouve un schéma de la structure du dispositif. b) Vue en perspective d’une surface de b-Si en cônes au MEB (Microscope électronique à balayage). c) Vue en perspective d’une surface de b-Si en aiguilles Tiré de Black-silicon ultraviolet photodiodes achieve external quantum efficiency above 130% M. Garin, J. Heinonen, L. Werner, T. P. Pasanen, V. Vähänissi, A. Haarahiltunen, M. Juntunen, H. Savin, arXiv:1907.13397v3 CC BY 4.0

Fig.1. Efficacité quantique de la photodiode en Si noir
a) Efficacité quantique en fonction de la longueur d’onde. On remarque qu’elle vaut environ 100% dans le domaine visible et atteint 132% dans l’ultraviolet. Dans l’insert, on trouve un schéma de la structure du dispositif.
b) Vue en perspective d’une surface de b-Si en cônes au MEB (Microscope électronique à balayage).
c) Vue en perspective d’une surface de b-Si en aiguilles au MEB
Tiré de Black-silicon ultraviolet photodiodes achieve external quantum efficiency above 130% M. Garin, J. Heinonen, L. Werner, T. P. Pasanen, V. Vähänissi, A. Haarahiltunen, M. Juntunen, H. Savin,
arXiv:1907.13397v3
CC BY 4.0

Des simulations ont montré que les deux types de surface entraînaient un champ électrique de même intensité au niveau de la surface. Les chercheurs avancent que c’est ce fort champ électrique qui est à l’origine de la multiplication des porteurs de charge créés par l’absorption des photons.

 

 

Ces résultats vont avoir un grand impact sur l’industrie des senseurs dans l’ultraviolet, mais les concepts technologiques utilisés peuvent s’appliquer à d’autres semiconducteurs, ouvrant la voie à des efficacités supérieures à 100% dans des longueurs d’ondes plus élevées, du domaine du visible, dépassant là aussi la limite théorique actuelle.

 

 

 

Pour en savoir plus :

 

Black-silicon ultraviolet photodiodes achieve external quantum efficiency above 130%
Garin, J. Heinonen, L. Werner, T. P. Pasanen, V. Vähänissi, A. Haarahiltunen, M. Juntunen, H. Savin,
arXiv:1907.13397v3 Accepted for publcation in Physical Review Letters 28.7.2020.