薄光电探测器在纳米腔中循环光

文章作者:威斯康星大学麦迪逊分校

为了在不增加体积的情况下提高性能，必须使用微小的材料。但是对于收集光并将其转化为电能的光电设备来说，体积越小越好。例如，减少一系列太阳能电池板的尺寸和重量，在低光照条件下产生高质量的照片，甚至更快地传输数据。

然而，有两个主要的挑战阻碍着他们:第一，缩小传统使用的“非晶”薄膜材料的尺寸也会降低它们的质量。其次，当超薄材料变得太薄时，它们几乎变成透明的，实际上失去了一些收集或吸收光的能力。

来自威斯康辛-麦迪逊大学和布法罗大学的一个工程师团队说，他们已经通过使用纳米级光电探测器克服了这两个障碍，该探测器结合了一种独特的制造方法和捕光结构。

研究人员——威斯康辛大学麦迪逊分校的电气工程教授马振强(Jack)、于宗福和布法罗大学的甘乔强——在《科学》杂志上描述了他们的器件，一个在纳米腔衬底上的单晶锗纳米膜光电探测器科学的进步．

图1:威斯康辛大学麦迪逊分校(UW-Madison)工程学教授马云(Zhenqiang Ma, Jack)的实验室创造并测试了这样一个缩小的光电探测器，它有助于缩小消费电子产品。(来源:威斯康辛大学麦迪逊分校)

他说:“基本上，我们的想法是，用一种非常薄的材料来实现与使用非常厚的材料相同的功能。”

该装置由夹在顶层超薄单晶锗层和银反射层之间的纳米腔组成。“因为有了纳米腔，光子被‘回收’了，所以光吸收大大增加了——即使是在非常薄的材料层中，”Ma说。

纳米腔是由一系列有序的相互连接的微小分子组成的，这些分子基本上可以反射或循环光。Gan已经证明了他的纳米腔结构可以增加像锗这样的半导体材料可以吸收的光量。

然而，大多数锗薄膜以非晶形式开始，这意味着材料的原子排列缺乏晶体的规则和重复顺序。这也意味着它的质量不足以满足越来越小的光电子应用。

这就是马云的专业知识发挥作用的地方。他使用了一种薄膜转移技术，使他可以很容易地将单晶半导体材料集成到衬底上。其结果是一种非常薄，但非常有效的吸收光的光探测器——这是未来光电子学的基石。

“这是一项使能技术，它可以让你看到各种各样的光电子器件，可以进入更小的足迹，更小的尺寸，”Yu说，他对探测器进行了计算分析。

虽然研究人员使用锗半导体展示了他们的进展，但他们也可以将这种方法应用到其他半导体上。“重要的是，通过调整纳米腔，我们可以控制我们实际上吸收的波长，”Gan说。“这将为开发多种不同的光电设备开辟道路。”