Bipoláris kétdimenzióslavina fotodetektor
A bipoláris kétdimenziós lavina-fotodetektor (APD fotodetektor) rendkívül alacsony zajszintet és nagy érzékenységű érzékelést biztosít
A néhány foton vagy akár egyetlen foton nagy érzékenységű detektálása fontos alkalmazási lehetőségeket kínál olyan területeken, mint a gyenge fény képalkotása, a távérzékelés és telemetria, valamint a kvantumkommunikáció. Ezek közül a lavina fotodetektor (APD) az optoelektronikai eszközök kutatásának fontos irányává vált a kis mérete, nagy hatékonysága és könnyű integrációja miatt. A jel-zaj viszony (SNR) az APD fotodetektor fontos mutatója, amely nagy erősítést és alacsony sötétáramot igényel. A kétdimenziós (2D) anyagok van der Waals-heteroátmeneteivel kapcsolatos kutatás széleskörű lehetőségeket mutat a nagy teljesítményű APD-k fejlesztésében. Kínai kutatók a bipoláris kétdimenziós félvezető anyagot, a WSe₂-t választották fényérzékeny anyagként, és gondosan elkészítették a Pt/WSe₂/Ni szerkezetű APD fotodetektort, amely a legjobb illeszkedési munkafüggvénnyel rendelkezik, hogy megoldják a hagyományos APD fotodetektorok inherens erősítési zajproblémáját.
A kutatócsoport egy Pt/WSe₂/Ni szerkezeten alapuló lavina fotodetektort javasolt, amely szobahőmérsékleten rendkívül gyenge fényjelek nagy érzékenységű detektálását érte el fW szinten. Kiválasztották a kiváló elektromos tulajdonságokkal rendelkező kétdimenziós WSe₂ félvezető anyagot, és kombinálták a Pt és Ni elektródaanyagokat egy új típusú lavina fotodetektor kifejlesztéséhez. A Pt, WSe₂ és Ni közötti munkafüggvény-illesztés pontos optimalizálásával egy olyan transzportmechanizmust terveztek, amely hatékonyan blokkolja a sötét töltéshordozókat, miközben szelektíven átengedi a fotogenerált töltéshordozókat. Ez a mechanizmus jelentősen csökkenti a töltéshordozók ütközési ionizációja által okozott túlzott zajt, lehetővé téve a fotodetektor számára, hogy rendkívül érzékeny optikai jeleket detektáljon rendkívül alacsony zajszint mellett.
Ezután, hogy tisztázzák a gyenge elektromos tér által kiváltott lavinahatás mögötti mechanizmust, a kutatók először a különböző fémek és a WSe₂ közötti inherens munkafüggvények kompatibilitását értékelték. Különböző fémelektródákkal ellátott fém-félvezető-fém (MSM) eszközök sorozatát állították elő, és releváns teszteket végeztek rajtuk. Ezenkívül a lavina kezdete előtti töltéshordozó-szórás csökkentésével mérsékelhető az ütközési ionizáció véletlenszerűsége, ezáltal csökkentve a zajt. Ezért releváns teszteket végeztek. A Pt/WSe₂/Ni APD időválasz-jellemzők tekintetében való fölényének további bizonyítása érdekében a kutatók tovább értékelték az eszköz -3 dB-es sávszélességét különböző fotoelektromos erősítésértékek mellett.
A kísérleti eredmények azt mutatják, hogy a Pt/WSe₂/Ni detektor szobahőmérsékleten rendkívül alacsony zajegyenértékű teljesítményt (NEP) mutat, ami mindössze 8,07 fW/√Hz. Ez azt jelenti, hogy a detektor rendkívül gyenge optikai jeleket is képes azonosítani. Ezenkívül ez az eszköz stabilan működik 20 kHz modulációs frekvencián, 5×10⁵ nagy erősítéssel, sikeresen megoldva a hagyományos fotovoltaikus detektorok technikai szűk keresztmetszetét, amelyeknél nehéz egyensúlyt teremteni a nagy erősítés és a sávszélesség között. Ez a tulajdonság várhatóan jelentős előnyöket biztosít számára azokban az alkalmazásokban, amelyek nagy erősítést és alacsony zajszintet igényelnek.
Ez a kutatás bemutatja az anyagmérnökség és a határfelület-optimalizálás kulcsszerepét a teljesítmény javításában.fotodetektorokAz elektródák és a kétdimenziós anyagok ötletes tervezésének köszönhetően árnyékoló hatást értek el a sötét töltéshordozók esetében, jelentősen csökkentve a zajinterferenciát és tovább javítva az érzékelés hatékonyságát.
Ennek a detektornak a teljesítménye nemcsak a fotoelektromos jellemzőiben tükröződik, hanem széleskörű alkalmazási lehetőségekkel is rendelkezik. A sötétáram szobahőmérsékleten történő hatékony blokkolásával és a fotogenerált töltéshordozók hatékony elnyelésével ez a detektor különösen alkalmas gyenge fényjelek detektálására olyan területeken, mint a környezeti monitoring, a csillagászati megfigyelés és az optikai kommunikáció. Ez a kutatási eredmény nemcsak új ötleteket kínál az alacsony dimenziós anyagú fotodetektorok fejlesztéséhez, hanem új referenciákat is kínál a nagy teljesítményű és kis fogyasztású optoelektronikai eszközök jövőbeli kutatásához és fejlesztéséhez.
Közzététel ideje: 2025. június 18.