光検出器の量子効率が理論限界を突破

物理学者組織ネットワークが最近報じたところによると、フィンランドの研究者らが外部量子効率130%の黒色シリコン光検出器を開発した。これは、光起電力デバイスの効率が理論上の限界である100%を超えた初めての事例であり、光電検出デバイスの効率を大幅に向上させることが期待される。これらのデバイスは、自動車、携帯電話、スマートウォッチ、医療機器などに幅広く使用されている。

光検出器は、光やその他の電磁エネルギーを測定し、光子を電流に変換するセンサーであり、吸収された光子は電子-正孔対を形成します。光検出器には、フォトダイオードやフォトトランジスタなどが含まれます。量子効率は、光検出器などのデバイスが受け取った光子のうち、電子-正孔対に変換される割合を定義するために使用され、すなわち、量子効率は、光生成された電子の数を入射光子の数で割った値に等しくなります。

入射光子が外部回路に電子を生成する場合、デバイスの外部量子効率は100%（従来は理論上の限界と考えられていた）となる。最新の研究では、ブラックシリコン光検出器の効率が最大130%に達し、これは入射光子1個あたり約1.3個の電子を生成することを意味する。

アールト大学の研究者によると、この画期的な成果の鍵は、高エネルギー光子によって引き起こされる、ブラックシリコン光検出器の独自のナノ構造内で発生する電荷キャリア増倍プロセスにあるという。これまで、電気的損失と光学的損失によって収集される電子の数が減少していたため、科学者たちは実際のデバイスでこの現象を観測することができなかった。「私たちのナノ構造デバイスは再結合も反射損失もないため、増倍された電荷キャリアをすべて収集できます」と、研究リーダーのヘラ・セバーン教授は説明した。

この効率性は、ヨーロッパで最も正確で信頼性の高い計測機関であるドイツ国立計量研究所（PTB）の物理技術研究所によって検証されています。

研究者らは、この記録的な効率性は、科学者たちが光電検出装置の性能を大幅に向上させることができることを意味すると指摘している。

「当社の検出器は、特にバイオテクノロジーや産業プロセスモニタリングの分野で大きな注目を集めています」と、アールト大学傘下の企業であるElfysIncのCEO、ミッコ・ユントゥナ博士は述べています。同社は既に、こうした検出器の商業生産を開始したと報じられています。