Bipolární dvourozměrnýlavinový fotodetektor
Bipolární dvourozměrný lavinový fotodetektor (APD fotodetektor) dosahuje ultranízkého šumu a vysoké citlivosti detekce
Vysoce citlivá detekce několika fotonů nebo dokonce jednotlivých fotonů má významné aplikační perspektivy v oblastech, jako je zobrazování ve slabém světle, dálkový průzkum Země a telemetrie a kvantová komunikace. Mezi nimi se lavinový fotodetektor (APD) stal důležitým směrem ve výzkumu optoelektronických zařízení díky svým vlastnostem malé velikosti, vysoké účinnosti a snadné integrace. Poměr signálu k šumu (SNR) je důležitým ukazatelem APD fotodetektoru, který vyžaduje vysoký zisk a nízký temný proud. Výzkum van der Waalsových heterojunkcí dvourozměrných (2D) materiálů ukazuje široké perspektivy ve vývoji vysoce výkonných APD. Výzkumníci z Číny zvolili bipolární dvourozměrný polovodičový materiál WSe₂ jako fotocitlivý materiál a pečlivě připravili APD fotodetektor se strukturou Pt/WSe₂/Ni, která má nejlepší shodu s výstupní funkcí, aby vyřešili inherentní problém se ziskem šumu tradičního APD fotodetektoru.
Výzkumný tým navrhl lavinový fotodetektor založený na struktuře Pt/WSe₂/Ni, který dosahuje vysoce citlivé detekce extrémně slabých světelných signálů na úrovni fW při pokojové teplotě. Zvolili dvourozměrný polovodičový materiál WSe₂, který má vynikající elektrické vlastnosti, a zkombinovali elektrodové materiály Pt a Ni, aby úspěšně vyvinuli nový typ lavinového fotodetektoru. Přesnou optimalizací shody výstupní práce mezi Pt, WSe₂ a Ni byl navržen transportní mechanismus, který dokáže účinně blokovat tmavé nosiče náboje a zároveň selektivně umožňovat průchod fotogenerovaných nosičů. Tento mechanismus významně snižuje nadměrný šum způsobený ionizací nárazem nosičů náboje, což umožňuje fotodetektoru dosáhnout vysoce citlivé detekce optického signálu při extrémně nízké úrovni šumu.
Aby se objasnil mechanismus lavinového efektu vyvolaného slabým elektrickým polem, vědci nejprve vyhodnotili kompatibilitu inherentních výstupních funkcí různých kovů s WSe₂. Byla vyrobena řada součástek typu kov-polovodič-kov (MSM) s různými kovovými elektrodami a provedeny na nich příslušné testy. Kromě toho lze snížením rozptylu nosičů náboje před začátkem laviny zmírnit náhodnost nárazové ionizace, a tím snížit šum. Proto byly provedeny příslušné testy. Aby se dále prokázala nadřazenost Pt/WSe₂/Ni APD z hlediska charakteristik časové odezvy, vědci dále vyhodnotili šířku pásma zařízení -3 dB při různých hodnotách fotoelektrického zesílení.
Experimentální výsledky ukazují, že detektor Pt/WSe₂/Ni vykazuje extrémně nízký ekvivalentní výkon šumu (NEP) při pokojové teplotě, který je pouze 8,07 fW/√Hz. To znamená, že detektor dokáže identifikovat extrémně slabé optické signály. Kromě toho může toto zařízení stabilně pracovat na modulační frekvenci 20 kHz s vysokým ziskem 5×10⁵, čímž úspěšně řeší technický problém tradičních fotovoltaických detektorů, u kterých je obtížné vyvážit vysoký zisk a šířku pásma. Očekává se, že tato vlastnost mu poskytne významné výhody v aplikacích, které vyžadují vysoký zisk a nízký šum.
Tento výzkum demonstruje klíčovou roli materiálového inženýrství a optimalizace rozhraní při zvyšování výkonu...fotodetektoryDíky důmyslnému designu elektrod a dvourozměrných materiálů bylo dosaženo stínící funkce tmavých nosičů náboje, což výrazně snižuje rušení šumem a dále zlepšuje účinnost detekce.
Výkon tohoto detektoru se neodráží pouze ve fotoelektrických charakteristikách, ale má také široké aplikační perspektivy. Díky efektivnímu blokování tmavého proudu při pokojové teplotě a účinné absorpci fotogenerovaných nosičů je tento detektor obzvláště vhodný pro detekci slabých světelných signálů v oblastech, jako je monitorování životního prostředí, astronomické pozorování a optická komunikace. Tento výzkumný úspěch nejen poskytuje nové nápady pro vývoj fotodetektorů z nízkorozměrných materiálů, ale také nabízí nové reference pro budoucí výzkum a vývoj vysoce výkonných a nízkoenergetických optoelektronických zařízení.
Čas zveřejnění: 18. června 2025