Bipolárny dvojrozmernýlavínový fotodetektor
Bipolárny dvojrozmerný lavínový fotodetektor (APD fotodetektor) dosahuje ultranízky šum a vysokú citlivosť detekcie
Vysoko citlivá detekcia niekoľkých fotónov alebo dokonca jednotlivých fotónov má dôležité aplikačné vyhliadky v oblastiach, ako je zobrazovanie v slabom svetle, diaľkový prieskum Zeme a telemetria a kvantová komunikácia. Medzi nimi sa lavínový fotodetektor (APD) stal dôležitým smerom v oblasti výskumu optoelektronických zariadení vďaka svojim vlastnostiam malej veľkosti, vysokej účinnosti a jednoduchej integrácie. Pomer signálu k šumu (SNR) je dôležitým ukazovateľom APD fotodetektora, ktorý vyžaduje vysoký zisk a nízky temný prúd. Výskum van der Waalsových heterojunkcií dvojrozmerných (2D) materiálov ukazuje široké vyhliadky vo vývoji vysokovýkonných APD. Výskumníci z Číny si ako fotocitlivý materiál vybrali bipolárny dvojrozmerný polovodičový materiál WSe₂ a starostlivo pripravili APD fotodetektor so štruktúrou Pt/WSe₂/Ni, ktorá má najlepšiu zhodnú výstupnú prácu, aby vyriešili inherentný problém so ziskom šumu tradičného APD fotodetektora.
Výskumný tím navrhol lavínový fotodetektor založený na štruktúre Pt/WSe₂/Ni, ktorý dosiahol vysoko citlivú detekciu extrémne slabých svetelných signálov na úrovni fW pri izbovej teplote. Zvolili dvojrozmerný polovodičový materiál WSe₂, ktorý má vynikajúce elektrické vlastnosti, a skombinovali elektródové materiály Pt a Ni, aby úspešne vyvinuli nový typ lavínového fotodetektora. Presnou optimalizáciou zhody výstupnej práce medzi Pt, WSe₂ a Ni bol navrhnutý transportný mechanizmus, ktorý dokáže účinne blokovať tmavé nosiče náboja a zároveň selektívne umožňovať prechod fotogenerovaných nosičov. Tento mechanizmus výrazne znižuje nadmerný šum spôsobený ionizáciou nárazom nosičov náboja, čo umožňuje fotodetektoru dosiahnuť vysoko citlivú detekciu optického signálu pri extrémne nízkej úrovni šumu.
Následne, aby sa objasnil mechanizmus lavínového efektu vyvolaného slabým elektrickým poľom, výskumníci najprv vyhodnotili kompatibilitu inherentných výstupných funkcií rôznych kovov s WSe₂. Bola vyrobená séria zariadení typu kov-polovodič-kov (MSM) s rôznymi kovovými elektródami a boli na nich vykonané príslušné testy. Okrem toho, znížením rozptylu nosičov náboja pred začiatkom lavíny je možné zmierniť náhodnosť nárazovej ionizácie, čím sa zníži šum. Preto boli vykonané príslušné testy. Aby sa ďalej preukázala nadradenosť Pt/WSe₂/Ni APD z hľadiska charakteristík časovej odozvy, výskumníci ďalej vyhodnotili šírku pásma zariadenia -3 dB pri rôznych hodnotách fotoelektrického zosilnenia.
Experimentálne výsledky ukazujú, že detektor Pt/WSe₂/Ni vykazuje pri izbovej teplote extrémne nízky ekvivalentný výkon šumu (NEP), ktorý je iba 8,07 fW/√Hz. To znamená, že detektor dokáže identifikovať extrémne slabé optické signály. Okrem toho môže toto zariadenie stabilne pracovať pri modulačnej frekvencii 20 kHz s vysokým ziskom 5×10⁵, čím úspešne rieši technický problém tradičných fotovoltaických detektorov, u ktorých je ťažké vyvážiť vysoký zisk a šírku pásma. Očakáva sa, že táto vlastnosť mu poskytne významné výhody v aplikáciách, ktoré vyžadujú vysoký zisk a nízky šum.
Tento výskum demonštruje kľúčovú úlohu materiálového inžinierstva a optimalizácie rozhrania pri zvyšovaní výkonu...fotodetektoryVďaka dômyselnému dizajnu elektród a dvojrozmerných materiálov sa dosiahol tieniaci účinok tmavých nosičov, čo výrazne znížilo rušenie šumom a ďalej zlepšilo účinnosť detekcie.
Výkon tohto detektora sa neodráža len vo fotoelektrických charakteristikách, ale má aj široké možnosti využitia. Vďaka účinnému blokovaniu tmavého prúdu pri izbovej teplote a účinnej absorpcii fotogenerovaných nosičov je tento detektor obzvlášť vhodný na detekciu slabých svetelných signálov v oblastiach, ako je monitorovanie životného prostredia, astronomické pozorovanie a optická komunikácia. Tento výskumný úspech nielenže poskytuje nové nápady pre vývoj nízkorozmerných materiálových fotodetektorov, ale ponúka aj nové referencie pre budúci výskum a vývoj vysokovýkonných a nízkoenergetických optoelektronických zariadení.
Čas uverejnenia: 18. júna 2025