Heißhunger auf UV-Photonen

  • 06. June 2013

Photodetektor mit amorphem Selen zeigt ungewöhnlich hohe Quantenausbeute.

Der effiziente Nachweis von schwacher UV-Strahlung ist für viele Anwendungen von Interesse, etwa in der Astronomie, beim Brandschutz oder für die medizinische Bildgebung. Neuartige Photodetektoren mit einer Anode aus amorphem Selen könnten sich dank ihrer ungewöhnlich hohen Quantenausbeute als hochempfindliche UV-Detektoren eignen, die die Empfindlichkeit gängiger UV-Detektoren um zwei Größenordnungen überträfen.

Der schematische Aufbau der neuen Photodiode mit einer Anode aus amorphem Selen.

Abb.: Der schematische Aufbau der neuen Photodiode mit einer Anode aus amorphem Selen. (Bild: T. Masuzawa et al., pss RRL)

Forscher um Ken Okano von der International Christian University in Tokyo haben einen Photodetektor in Form einer kleinen Elektronenröhre mit Diodenstruktur hergestellt, der eine Quantenausbeute von bis zu 100000 % erreichte. Somit setzte jedes einfallende Photon bis zu tausend Ladungsträger frei, die anschließend als Photostrom nachgewiesen wurden.

Die Anode des Detektors bestand aus einer Glasplatte mit einer transparenten Beschichtung aus Indiumzinnoxid (ITO), auf die eine Schicht aus amorphem Selen (a-Se) aufgetragen wurde. In einem Abstand von 100 µm zur Anode befand sich die Kathode, bestehend aus einer Siliziumunterlage mit einer stickstoffdotierten Diamantschicht. Zwischen Anode und Kathode legten die Forscher eine elektrische Spannung von etwa 400 V. Mit einer UV-LED konnten sie die Anode mit UV-Licht von rund 375 nm Wellenlänge bestrahlen. Sie maßen den in der Photodiode fließenden Strom in Abhängigkeit von der angelegten Spannung, einmal mit UV-Licht und einmal ohne. Der Photostrom war etwa hundertmalmal stärker als der Dunkelstrom.

Der in der Diode fließende Emissionsstrom ist bei UV-Bestrahlung der Anode 100-mal höher als ohne Bestrahlung.

Abb.: Der in der Diode fließende Emissionsstrom ist bei UV-Bestrahlung der Anode 100-mal höher als ohne Bestrahlung. (Bild: T. Masuzawa et al., pss RRL)

Den Berechnungen der Forscher zufolge erzeugten die auf die a-Se-Schicht der Anode fallenden UV-Photonen jeweils bis zu tausend Elektron-Loch-Paare. Während die Elektronen von der Anode abflossen, sammelten sich die Löcher auf der Unterseite der Anode und verstärkten dadurch den von der kalten Kathode kommenden Elektronenstrom.

Die beobachtete externe Quantenausbeute der Photodiode von bis zu 100.000 % liegt etwa zwei Größenordnungen über der Ausbeute von gängigen Photodetektoren. So erreichen ZnO-MSM-Photodetektoren eine Ausbeute von 177 % während für die neuesten MISIM-Photodetektoren 6150 % angegeben werden. Aus der neuen Photodiode ließe sich demnach ein UV-Detektor mit unerreicht hoher Empfindlichkeit herstellen.

In früheren Experimenten hatten Okano und seine Kollegen für ihre a-Se-Photodiode bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht eine Quantenausbeute von bis zu 4000 % gemessen. Die Ausbeute des Detektors hängt somit empfindlich von der Wellenlänge der nachzuweisenden Strahlung ab. Diese Wellenlängenabhängigkeit, welche die Forscher genauer untersuchen wollen, ließe sich für eine spektrometrische Photodetektion nutzen.

Rainer Scharf

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