新型光電探測器：更薄且性能更好

導讀

最近，美國威斯康辛大學麥迪遜分校和紐約州立大學布法羅分校的工程師團隊開發出一種結合獨特的製造方法和光陷阱結構的納米級光電探測器，不僅更薄，而且性能也更好。

關鍵字

光電、半導體、材料

背景

當代的電子產品發展呈現出一種重要的趨勢：性能更強，體積更小。為了減少電子產品的體積，製造商們會更多考慮選用更加輕薄的材料。例如，筆者曾經在《新型石墨烯複合材料：未來電子設備將更便宜、耐用、輕便！》和《新型柔性微處理器：由超薄二維材料二硫化鉬製成！》兩篇文章都中介紹過相關的新材料。

光電器件，例如攝像頭感測器或者太陽能電池（採集光線然後轉化為電能），也在追求著「更小更好」的目標。例如，科研人員在考慮如何減少太陽能電池板的尺寸和重量，如何在低光條件下拍攝一張高質量照片，甚至是如何更快速地傳輸數據。

然而光電器件的發展存在著兩個主要挑戰：第一，減少傳統使用的「非晶態」的薄膜材料的厚度，會降低材料的質量；第二，當超薄材料變得更薄的時候，它們幾乎變得透明，實際上會喪失一些聚集和吸收光線的能力。

創新

最近，來自美國威斯康辛大學麥迪遜分校和紐約州立大學布法羅分校的工程師團隊戰勝了這兩個挑戰，他們開發出一種結合獨特的製造方法和光陷阱結構的納米級光電探測器。如下圖所示：威斯康辛大學麥迪遜分校電氣和計算機工程系研究生 Zhenyang Xia 手裡拿著含有光電探測器樣本的小盤子，樣本顏色取決於吸收光線的波長。

（圖片來源：Stephanie Precourt/威斯康辛大學麥迪遜分校工程學院）

主要研究人員有威斯康辛大學麥迪遜分校電氣工程教授 Zhenqiang (Jack) Ma 和 Zongfu Yu，以及紐約州立大學布法羅分校的 Qiaoqiang Gan，他們將該器件描述為「納米腔基底上的單晶鍺納米薄膜光電探測器」，該論文於7月7日發表於《科學進展》雜誌。Ma 說：

「想法基本上就是，你想要用非常薄的材料，製造出非常厚的材料才能實現的同樣功能的器件。」

技術

這種器件結構是這樣的，單晶納米腔像三明治一般，夾在單晶鍺頂層和銀反射層之間。Ma 說：

「由於納米腔體的緣故，光子被「再利用」，所以光線吸收量顯著增加，即使在非常薄層的材料中。」

（圖片來源：Zhenyang Xia/威斯康辛大學麥迪遜分校工程學院）

納米腔體由微小的、相互連接的分子有序排列組成，反射或者傳播光線。Gan

已經展示了這種納米腔結構，它增加了薄的半導體材料例如鍺吸收的光線量。

然而，大部分的鍺薄膜都是以鍺非晶態形式開始，意味著這種材料的原子排列缺少有規律的、重複的晶體順序。這也意味著它的質量無法滿足更加小型化的光電器件應用的需求。

然而，這正是Ma發揮其專長的好機會。作為全球半導體納米薄膜器件方面的專家，Ma 使用了革命性的薄膜轉移技術，輕易地將單晶半導體材料集成到基底上。

最終製成的吸收光線的光電探測器不僅非常薄，而且非常高效，成為了未來光電器件的一個重要組成部分。

價值

（圖片來源：Stephanie Precourt/威斯康辛大學麥迪遜分校工程學院）

負責對於探測器進行計算機分析的 Yu 稱：

「它是一項開創性的技術，讓你能夠看到品種繁多的光電器件。這些光電器件能佔用更少的空間，具有更小的尺寸。」

研究人員採用鍺半導體展示了他們的研究成果，也將這種方法應用於其他半導體。Gan 說：

「重要地是，通過調諧納米腔，我們可以控制實際吸收的波長。這將為開發許多不同的光電器件開闢道路。」

參考資料

【1】http://news.wisc.edu/powerful-new-photodetector-can-enable-optoelectronics-advances/

【2】http://advances.sciencemag.org/content/3/7/e1602783

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