Bipolar bidimensionalfotodetector de avalanșă
Fotodetectorul bipolar bidimensional de avalanșă (Fotodetector APD) realizează un zgomot ultra-redus și o detectare de înaltă sensibilitate
Detecția de înaltă sensibilitate a câtorva fotoni sau chiar a fotonilor individuali are perspective importante de aplicare în domenii precum imagistica cu lumină slabă, teledetecția și telemetria, precum și comunicarea cuantică. Printre acestea, fotodetectorul de avalanșă (APD) a devenit o direcție importantă în domeniul cercetării dispozitivelor optoelectronice datorită caracteristicilor sale de dimensiuni reduse, eficiență ridicată și integrare ușoară. Raportul semnal-zgomot (SNR) este un indicator important al fotodetectorului APD, care necesită un câștig mare și un curent de întuneric scăzut. Cercetările privind heterojoncțiunile van der Waals ale materialelor bidimensionale (2D) arată perspective largi în dezvoltarea APD-urilor de înaltă performanță. Cercetătorii din China au selectat materialul semiconductor bidimensional bipolar WSe₂ ca material fotosensibil și au pregătit meticulos un fotodetector APD cu o structură Pt/WSe₂/Ni care are cea mai bună funcție de lucru de potrivire, pentru a rezolva problema inerentă a zgomotului de câștig al fotodetectorului APD tradițional.
Echipa de cercetare a propus un fotodetector de avalanșă bazat pe structura Pt/WSe₂/Ni, care a permis detectarea cu sensibilitate ridicată a semnalelor luminoase extrem de slabe la nivelul fW la temperatura camerei. Aceștia au selectat materialul semiconductor bidimensional WSe₂, care are proprietăți electrice excelente, și au combinat materiale electrodice Pt și Ni pentru a dezvolta cu succes un nou tip de fotodetector de avalanșă. Prin optimizarea precisă a potrivirii funcției de lucru între Pt, WSe₂ și Ni, a fost proiectat un mecanism de transport care poate bloca eficient purtătorii de lumină întunecați, permițând în același timp selectiv trecerea purtătorilor fotogenerați. Acest mecanism reduce semnificativ zgomotul excesiv cauzat de ionizarea prin impact a purtătorilor, permițând fotodetectorului să realizeze o detectare cu sensibilitate ridicată a semnalului optic la un nivel de zgomot extrem de scăzut.
Apoi, pentru a clarifica mecanismul din spatele efectului de avalanșă indus de câmpul electric slab, cercetătorii au evaluat inițial compatibilitatea funcțiilor de lucru inerente ale diferitelor metale cu WSe₂. Au fost fabricate o serie de dispozitive metal-semiconductor-metal (MSM) cu diferiți electrozi metalici și au fost efectuate teste relevante pe acestea. În plus, prin reducerea împrăștierii purtătorilor de sarcină înainte de începerea avalanșei, se poate atenua caracterul aleatoriu al ionizării la impact, reducând astfel zgomotul. Prin urmare, au fost efectuate teste relevante. Pentru a demonstra în continuare superioritatea APD Pt/WSe₂/Ni în ceea ce privește caracteristicile de răspuns în timp, cercetătorii au evaluat în continuare lățimea de bandă de -3 dB a dispozitivului sub diferite valori ale câștigului fotoelectric.
Rezultatele experimentale arată că detectorul Pt/WSe₂/Ni prezintă o putere echivalentă cu zgomot (NEP) extrem de scăzută la temperatura camerei, de numai 8,07 fW/√Hz. Aceasta înseamnă că detectorul poate identifica semnale optice extrem de slabe. În plus, acest dispozitiv poate funcționa stabil la o frecvență de modulație de 20 kHz cu un câștig mare de 5×10⁵, rezolvând cu succes blocajul tehnic al detectorilor fotovoltaici tradiționali, care sunt dificil de echilibrat între câștigul mare și lățimea de bandă. Se așteaptă ca această caracteristică să îi ofere avantaje semnificative în aplicațiile care necesită câștig mare și zgomot redus.
Această cercetare demonstrează rolul crucial al ingineriei materialelor și al optimizării interfețelor în îmbunătățirea performanțeifotodetectoarePrin designul ingenios al electrozilor și al materialelor bidimensionale, s-a obținut un efect de ecranare a purtătorilor de lumină întunecați, reducând semnificativ interferențele de zgomot și îmbunătățind și mai mult eficiența detecției.
Performanța acestui detector nu se reflectă doar în caracteristicile fotoelectrice, ci are și perspective largi de aplicare. Datorită blocării eficiente a curentului de întuneric la temperatura camerei și absorbției eficiente a purtătorilor de lumină fotogenerați, acest detector este deosebit de potrivit pentru detectarea semnalelor luminoase slabe în domenii precum monitorizarea mediului, observarea astronomică și comunicațiile optice. Această realizare în cercetare nu numai că oferă noi idei pentru dezvoltarea de fotodetectoare de materiale de dimensiuni reduse, dar oferă și noi referințe pentru cercetarea și dezvoltarea viitoare a dispozitivelor optoelectronice de înaltă performanță și consum redus de energie.
Data publicării: 18 iunie 2025