Dwubiegunowy dwuwymiarowyfotodetektor lawinowy
Dwubiegunowy dwuwymiarowy fotodetektor lawinowy (Fotodetektor APD) zapewnia wyjątkowo niski poziom szumów i wysoką czułość wykrywania
Wysoka czułość detekcji kilku fotonów, a nawet pojedynczych fotonów, stwarza ważne perspektywy zastosowań w takich dziedzinach jak obrazowanie w słabym świetle, teledetekcja i telemetria oraz komunikacja kwantowa. Wśród nich, fotodetektor lawinowy (APD) stał się ważnym kierunkiem badań nad urządzeniami optoelektronicznymi ze względu na swoje niewielkie rozmiary, wysoką wydajność i łatwą integrację. Stosunek sygnału do szumu (SNR) jest ważnym wskaźnikiem fotodetektora APD, który wymaga wysokiego wzmocnienia i niskiego prądu ciemnego. Badania nad heterozłączami van der Waalsa w materiałach dwuwymiarowych (2D) wskazują na szerokie perspektywy rozwoju wysokowydajnych APD. Naukowcy z Chin wybrali bipolarny, dwuwymiarowy materiał półprzewodnikowy WSe₂ jako materiał światłoczuły i starannie przygotowali fotodetektor APD o strukturze Pt/WSe₂/Ni, która charakteryzuje się najlepszym dopasowaniem funkcji pracy, aby rozwiązać nieodłączny problem szumu wzmocnienia tradycyjnego fotodetektora APD.
Zespół badawczy zaproponował fotodetektor lawinowy oparty na strukturze Pt/WSe₂/Ni, który osiągnął wysoką czułość detekcji skrajnie słabych sygnałów świetlnych na poziomie fW w temperaturze pokojowej. Wybrali dwuwymiarowy materiał półprzewodnikowy WSe₂, który charakteryzuje się doskonałymi właściwościami elektrycznymi, oraz połączyli materiały elektrodowe Pt i Ni, aby z powodzeniem opracować nowy typ fotodetektora lawinowego. Dzięki precyzyjnej optymalizacji dopasowania funkcji pracy między Pt, WSe₂ i Ni, opracowano mechanizm transportu, który może skutecznie blokować ciemne nośniki, jednocześnie selektywnie przepuszczając nośniki fotogenerowane. Mechanizm ten znacząco redukuje nadmierny szum powodowany przez jonizację zderzeniową nośników, umożliwiając fotodetektorowi osiągnięcie wysokiej czułości detekcji sygnału optycznego przy wyjątkowo niskim poziomie szumu.
Następnie, aby wyjaśnić mechanizm stojący za efektem lawinowym indukowanym przez słabe pole elektryczne, naukowcy wstępnie ocenili zgodność inherentnych funkcji pracy różnych metali z WSe₂. Wyprodukowano serię urządzeń metal-półprzewodnik-metal (MSM) z różnymi metalowymi elektrodami i przeprowadzono na nich odpowiednie testy. Ponadto, zmniejszając rozpraszanie nośników przed rozpoczęciem lawiny, można złagodzić losowość jonizacji uderzeniowej, a tym samym zmniejszyć szum. W związku z tym przeprowadzono odpowiednie testy. Aby dodatkowo wykazać wyższość Pt/WSe₂/Ni APD pod względem charakterystyki czasowej, naukowcy dodatkowo ocenili pasmo przenoszenia -3 dB urządzenia przy różnych wartościach wzmocnienia fotoelektrycznego.
Wyniki eksperymentów pokazują, że detektor Pt/WSe₂/Ni charakteryzuje się wyjątkowo niskim ekwiwalentem mocy szumów (NEP) w temperaturze pokojowej, wynoszącym zaledwie 8,07 fW/√Hz. Oznacza to, że detektor może identyfikować wyjątkowo słabe sygnały optyczne. Ponadto, urządzenie może pracować stabilnie z częstotliwością modulacji 20 kHz i wysokim wzmocnieniem 5×10⁵, skutecznie rozwiązując problem techniczny tradycyjnych detektorów fotowoltaicznych, które mają trudności ze zrównoważeniem wysokiego wzmocnienia i szerokości pasma. Oczekuje się, że ta cecha zapewni mu znaczące korzyści w zastosowaniach wymagających wysokiego wzmocnienia i niskiego poziomu szumów.
Badania te wykazują kluczową rolę inżynierii materiałowej i optymalizacji interfejsu w zwiększaniu wydajnościfotodetektoryDzięki pomysłowej konstrukcji elektrod i materiałów dwuwymiarowych uzyskano efekt ekranowania nośników ciemnych, co znacznie zmniejsza zakłócenia szumowe i jeszcze bardziej zwiększa wydajność detekcji.
Wydajność tego detektora znajduje odzwierciedlenie nie tylko w jego właściwościach fotoelektrycznych, ale ma również szerokie perspektywy zastosowania. Dzięki skutecznemu blokowaniu prądu ciemnego w temperaturze pokojowej i efektywnej absorpcji nośników fotogenerowanych, detektor ten jest szczególnie odpowiedni do wykrywania słabych sygnałów świetlnych w takich dziedzinach jak monitoring środowiska, obserwacje astronomiczne i komunikacja optyczna. To osiągnięcie badawcze nie tylko dostarcza nowych pomysłów na rozwój niskowymiarowych fotodetektorów materiałowych, ale także oferuje nowe odniesienia dla przyszłych badań i rozwoju wysokowydajnych i energooszczędnych urządzeń optoelektronicznych.
Czas publikacji: 18-06-2025