Біполярний двовимірнийлавинний фотодетектор
Біполярний двовимірний лавинний фотодетектор (Фотодетектор APD) досягає наднизького рівня шуму та високої чутливості виявлення
Високочутливе виявлення кількох фотонів або навіть окремих фотонів має важливі перспективи застосування в таких галузях, як візуалізація слабкого світла, дистанційне зондування та телеметрія, а також квантова комунікація. Серед них лавинний фотодетектор (ЛФД) став важливим напрямком у галузі дослідження оптоелектронних пристроїв завдяки своїм характеристикам малого розміру, високої ефективності та легкої інтеграції. Співвідношення сигнал/шум (SNR) є важливим показником фотодетектора ЛФД, який вимагає високого коефіцієнта посилення та низького темнового струму. Дослідження ван-дер-ваальсових гетеропереходів двовимірних (2D) матеріалів показує широкі перспективи у розробці високопродуктивних ЛФД. Дослідники з Китаю обрали біполярний двовимірний напівпровідниковий матеріал WSe₂ як фоточутливий матеріал та ретельно підготували ЛФД-фотодетектор зі структурою Pt/WSe₂/Ni, яка має найкращу роботу виходу, щоб вирішити проблему шуму посилення, властиву традиційним фотодетекторам ЛФД.
Дослідницька група запропонувала лавинний фотодетектор на основі структури Pt/WSe₂/Ni, який забезпечив високочутливе виявлення надзвичайно слабких світлових сигналів на рівні fW за кімнатної температури. Вони обрали двовимірний напівпровідниковий матеріал WSe₂, який має чудові електричні властивості, та поєднали електродні матеріали Pt та Ni для успішної розробки нового типу лавинного фотодетектора. Завдяки точній оптимізації узгодження роботи виходу між Pt, WSe₂ та Ni було розроблено механізм транспорту, який може ефективно блокувати темні носії, вибірково пропускаючи фотогенеровані носії. Цей механізм значно зменшує надмірний шум, спричинений іонізацією ударом носіїв, що дозволяє фотодетектору досягти високочутливого виявлення оптичного сигналу при надзвичайно низькому рівні шуму.
Потім, щоб з'ясувати механізм ефекту лавини, викликаного слабким електричним полем, дослідники спочатку оцінили сумісність властивих їм функцій виходу різних металів з WSe₂. Було виготовлено серію пристроїв метал-напівпровідник-метал (MSM) з різними металевими електродами та проведено відповідні випробування на них. Крім того, зменшуючи розсіювання носіїв заряду перед початком лавини, можна зменшити випадковість ударної іонізації, тим самим зменшуючи шум. Тому були проведені відповідні випробування. Щоб додатково продемонструвати перевагу Pt/WSe₂/Ni лавинного фотодіода (ЛФД) з точки зору характеристик часової характеристики, дослідники додатково оцінили смугу пропускання пристрою -3 дБ за різних значень фотоелектричного підсилення.
Експериментальні результати показують, що детектор Pt/WSe₂/Ni демонструє надзвичайно низьку еквівалентну потужність шуму (NEP) за кімнатної температури, яка становить лише 8,07 fW/√Hz. Це означає, що детектор може ідентифікувати надзвичайно слабкі оптичні сигнали. Крім того, цей пристрій може стабільно працювати на частоті модуляції 20 кГц з високим коефіцієнтом посилення 5×10⁵, успішно вирішуючи технічне вузьке місце традиційних фотоелектричних детекторів, яким важко збалансувати високий коефіцієнт посилення та смугу пропускання. Очікується, що ця особливість забезпечить йому значні переваги в застосуваннях, що вимагають високого коефіцієнта посилення та низького рівня шуму.
Це дослідження демонструє вирішальну роль матеріалознавства та оптимізації інтерфейсу у підвищенні продуктивності...фотодетекториЗавдяки геніальній конструкції електродів та двовимірних матеріалів було досягнуто екрануючого ефекту темних носіїв, що значно зменшує шумові перешкоди та ще більше підвищує ефективність виявлення.
Продуктивність цього детектора відображається не лише на фотоелектричних характеристиках, але й має широкі перспективи застосування. Завдяки ефективному блокуванню темнового струму за кімнатної температури та ефективному поглинанню фотогенерованих носіїв, цей детектор особливо підходить для виявлення слабких світлових сигналів у таких галузях, як моніторинг навколишнього середовища, астрономічні спостереження та оптичний зв'язок. Це дослідницьке досягнення не лише надає нові ідеї для розробки фотодетекторів на основі низьковимірних матеріалів, але й пропонує нові орієнтири для майбутніх досліджень та розробок високопродуктивних та малопотужних оптоелектронних пристроїв.
Час публікації: 18 червня 2025 р.