Nanoantenne wandelt Licht in Strom

Infrarotlichtdetektor auf Siliziumbasis arbeitet für Photonenenergien unterhalb der Bandlücke.

Anordnungen aus lichtsammelnden Nanoantennen, die direkt mit stromerzeugenden Photodioden auf Siliziumbasis gekoppelt sind, haben Forscher um Naomi Halas von der Rice University in Houston entwickelt. Mit ihnen können sie Infrarotlicht nachweisen, dessen Photonenenergie unterhalb der Bandlücke des Siliziums liegt.

Die neuartigen Lichtdetektoren bestehen jeweils aus einer rechteckigen Anordnung von 15 mal 20 Nanoantennen aus Gold, die von isolierenden Barrieren aus Siliziumoxid umgeben sind. Jede Antenne ist an ihrer Unterseite mit Titan überzogen und sitzt auf einer n-dotierten Siliziumunterlage. Eine lichtdurchlässige ITO-Elektrode bedeckt die Oberseite der 30 nm hohen und 50 nm breiten Goldantennen, deren einheitliche Länge zwischen 110 nm und 158 nm liegen. Fällt Licht durch die ITO-Elektrode auf die Goldstreifen, so regt es die Leitungselektronen in der Goldoberfläche zu Schwingungen an. Durch die effiziente Anregung dieser Oberflächenplasmonen wird die Lichtenergie gesammelt.

Wenn die Oberflächenplasmonen zerfallen, können sie in den Antennen „heiße“ Elektron-Loch-Paare erzeugen. Die heißen Elektronen bewegen sich zur Titanschicht hin, die die Goldantennen von der Siliziumunterlage trennt. An der Grenzfläche zwischen der 1 nm dicken metallischen Titanschicht und dem halbleitenden Siliziumsubstrat bildet sich eine 0,5 eV hohe Schottky-Barriere, die die heißen Elektronen je nach ihrer Energie überspringen oder durchtunneln können.

Da das Valenz- und das Leitungsband des Siliziums nahe der Titanschicht stark verbogen sind, können auch solche Elektronen ins Leitungsband tunneln, deren Energie wesentlich kleiner ist als die Bandlücke des Siliziums, die etwa 1,1 eV beträgt. Diese Elektronen fließen dann durch das gut leitende n-dotierte Siliziumsubstrat und über eine daran angebrachte Elektrode ab und erzeugen so einen Photostrom. Die Erzeugung eines Photostroms ist damit nicht länger auf Photonenenergien oberhalb der Bandlücke beschränkt, sodass man auch das preiswerte Silizium für Infrarotdetektoren nutzen kann.

Die Lichtwellenlänge, bei der der stärkste Photostrom floss, nahm mit der Länge der Nanoantennen zu, wie die Messungen der Forscher zeigten. Belichtet man gleichzeitig mehrere Anordnungen, die sich in der Länge ihrer Nanoantennen unterscheiden, so kann man aus den gemessenen Photoströmen auf einfache Weise Information über die spektrale Zusammensetzung des einfallenden Lichtes gewinnen. Die Stärke des Photostroms hing auch von Polarisationsrichtung des Lichtes ab und war am größten, wenn das Licht in Längsrichtung der Antennen polarisiert war. Dadurch wird es möglich, auch direkt die Polarisation des Lichtes zu messen.

Bisher ist die Effizienz des Detektors allerdings noch sehr gering. Nur 0,01 % der von den Antennen absorbierten Photonen tragen zum Photostrom bei. Die Forscher sind jedoch zuversichtlich, dass sich die Ausbeute noch erheblich steigern lässt, u. a. durch Optimierung der Titanschicht, durch eine Sperrvorspannung und durch zusätzliche Dotierung. Die möglichen Anwendungen sind vielseitig und reichen von der Siliziumphotonik auf einem Chip bis zur Verbesserung von Siliziumsolarzellen.

RAINER SCHARF

Weitere Literatur:

• Martin Moskovits: Hot Electrons Cross Boundaries. Science 332, 676 (2011)
  doi: 10.1126/science.1205312

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