Bipolar todimensjonalskredfotodetektor
Den bipolare todimensjonale skredfotodetektoren (APD-fotodetektor) oppnår ultralav støy og høy følsomhetsdeteksjon
Høyfølsom deteksjon av få fotoner eller til og med enkeltfotoner har viktige anvendelsesmuligheter innen felt som svakt lysavbildning, fjernmåling og telemetri, og kvantekommunikasjon. Blant disse har skredfotodetektoren (APD) blitt en viktig retning innen forskning på optoelektroniske enheter på grunn av dens egenskaper med liten størrelse, høy effektivitet og enkel integrering. Signal-til-støy-forholdet (SNR) er en viktig indikator for APD-fotodetektorer, som krever høy forsterkning og lav mørkestrøm. Forskningen på van der Waals heterojunksjoner av todimensjonale (2D) materialer viser brede muligheter for utvikling av høyytelses APD-er. Forskere fra Kina valgte det bipolare todimensjonale halvledermaterialet WSe₂ som det lysfølsomme materialet og en omhyggelig forberedt APD-fotodetektor med en Pt/WSe₂/Ni-struktur som har den beste samsvarende arbeidsfunksjonen, for å løse det iboende forsterkningsstøyproblemet til tradisjonell APD-fotodetektor.
Forskningsteamet foreslo en skredfotodetektor basert på Pt/WSe₂/Ni-strukturen, som oppnådde svært følsom deteksjon av ekstremt svake lyssignaler på fW-nivå ved romtemperatur. De valgte det todimensjonale halvledermaterialet WSe₂, som har utmerkede elektriske egenskaper, og kombinerte Pt- og Ni-elektrodematerialer for å utvikle en ny type skredfotodetektor. Ved å presist optimalisere arbeidsfunksjonstilpasningen mellom Pt, WSe₂ og Ni, ble det utviklet en transportmekanisme som effektivt kan blokkere mørke bærere samtidig som den selektivt tillater fotogenererte bærere å passere gjennom. Denne mekanismen reduserer betydelig overdreven støy forårsaket av bærerens støtionisering, noe som gjør det mulig for fotodetektoren å oppnå svært følsom optisk signaldeteksjon ved et ekstremt lavt støynivå.
For å avklare mekanismen bak skredeffekten indusert av det svake elektriske feltet, evaluerte forskerne deretter kompatibiliteten mellom de iboende arbeidsfunksjonene til forskjellige metaller og WSe₂. En serie metall-halvleder-metall (MSM)-enheter med forskjellige metallelektroder ble produsert, og relevante tester ble utført på dem. I tillegg, ved å redusere spredning av bærebølger før skredet begynner, kan tilfeldigheten av støtionisering reduseres, og dermed redusere støy. Derfor ble relevante tester utført. For ytterligere å demonstrere overlegenheten til Pt/WSe₂/Ni APD når det gjelder tidsresponsegenskaper, evaluerte forskerne videre -3 dB båndbredden til enheten under forskjellige fotoelektriske forsterkningsverdier.
De eksperimentelle resultatene viser at Pt/WSe₂/Ni-detektoren har en ekstremt lav støyekvivalent effekt (NEP) ved romtemperatur, som bare er 8,07 fW/√Hz. Dette betyr at detektoren kan identifisere ekstremt svake optiske signaler. I tillegg kan denne enheten operere stabilt ved en modulasjonsfrekvens på 20 kHz med en høy forsterkning på 5×10⁵, og dermed løse den tekniske flaskehalsen til tradisjonelle solcelledetektorer som er vanskelige å balansere høy forsterkning og båndbredde. Denne funksjonen forventes å gi den betydelige fordeler i applikasjoner som krever høy forsterkning og lav støy.
Denne forskningen viser den avgjørende rollen materialteknikk og grensesnittoptimalisering spiller for å forbedre ytelsen tilfotodetektorerGjennom genial design av elektroder og todimensjonale materialer er det oppnådd en skjermingseffekt av mørke bærere, noe som reduserer støyforstyrrelser betydelig og forbedrer deteksjonseffektiviteten ytterligere.
Ytelsen til denne detektoren gjenspeiles ikke bare i de fotoelektriske egenskapene, men har også brede anvendelsesmuligheter. Med sin effektive blokkering av mørk strøm ved romtemperatur og effektive absorpsjon av fotogenererte ladningsbærere, er denne detektoren spesielt egnet for å detektere svake lyssignaler innen felt som miljøovervåking, astronomisk observasjon og optisk kommunikasjon. Denne forskningsprestasjonen gir ikke bare nye ideer for utvikling av lavdimensjonale materialfotodetektorer, men tilbyr også nye referanser for fremtidig forskning og utvikling av høytytende og laveffektsoptoelektroniske enheter.
Publisert: 18. juni 2025