Биполярный двумерныйлавинный фотодетектор
Биполярный двумерный лавинный фотодетектор (Фотодетектор APD) обеспечивает сверхнизкий уровень шума и высокую чувствительность обнаружения
Высокочувствительное детектирование нескольких фотонов или даже одиночных фотонов имеет важные перспективы применения в таких областях, как получение изображений при слабом свете, дистанционное зондирование и телеметрия, а также квантовая связь. Среди них лавинный фотодетектор (APD) стал важным направлением в области исследования оптоэлектронных устройств благодаря своим характеристикам малого размера, высокой эффективности и простоте интеграции. Отношение сигнал/шум (SNR) является важным показателем фотодетектора APD, который требует высокого усиления и низкого темнового тока. Исследование гетеропереходов Ван-дер-Ваальса двумерных (2D) материалов показывает широкие перспективы в разработке высокопроизводительных APD. Исследователи из Китая выбрали биполярный двумерный полупроводниковый материал WSe₂ в качестве фоточувствительного материала и тщательно подготовили фотодетектор APD со структурой Pt/WSe₂/Ni, которая имеет наилучшее согласование работы выхода, чтобы решить присущую проблему шума усиления традиционного фотодетектора APD.
Исследовательская группа предложила лавинный фотодетектор на основе структуры Pt/WSe₂/Ni, который обеспечил высокочувствительное детектирование крайне слабых световых сигналов на уровне полупроводника (fW) при комнатной температуре. Они выбрали двумерный полупроводниковый материал WSe₂, обладающий превосходными электрическими свойствами, и объединили электродные материалы Pt и Ni для успешной разработки нового типа лавинного фотодетектора. Благодаря точной оптимизации согласования работы выхода Pt, WSe₂ и Ni был разработан транспортный механизм, способный эффективно блокировать темные носители заряда, селективно пропуская фотогенерированные носители. Этот механизм значительно снижает избыточный шум, вызванный ударной ионизацией носителей заряда, что позволяет фотодетектору достичь высокочувствительного детектирования оптического сигнала при чрезвычайно низком уровне шума.
Затем, чтобы прояснить механизм лавинного эффекта, вызванного слабым электрическим полем, исследователи первоначально оценили совместимость собственных рабочих работ различных металлов с WSe₂. Была изготовлена серия устройств металл-полупроводник-металл (МПМ) с различными металлическими электродами и проведены соответствующие испытания. Кроме того, уменьшая рассеяние носителей заряда до начала лавинного пробоя, можно уменьшить случайность ударной ионизации, тем самым снижая уровень шума. Поэтому были проведены соответствующие испытания. Чтобы дополнительно продемонстрировать превосходство лавинного фотодиода Pt/WSe₂/Ni с точки зрения характеристик временного отклика, исследователи дополнительно оценили полосу пропускания -3 дБ устройства при различных значениях фотоэлектрического усиления.
Экспериментальные результаты показывают, что детектор Pt/WSe₂/Ni демонстрирует чрезвычайно низкую эквивалентную шумовую мощность (NEP) при комнатной температуре, составляющую всего 8,07 фВт/√Гц. Это означает, что детектор способен обнаруживать крайне слабые оптические сигналы. Кроме того, это устройство может стабильно работать на частоте модуляции 20 кГц с высоким коэффициентом усиления 5×10⁵, успешно решая техническую проблему традиционных фотоэлектрических детекторов, которая заключается в сложности достижения баланса между высоким коэффициентом усиления и полосой пропускания. Ожидается, что эта особенность обеспечит ему значительные преимущества в приложениях, требующих высокого коэффициента усиления и низкого уровня шума.
Это исследование демонстрирует решающую роль инженерии материалов и оптимизации интерфейса в повышении производительностифотодетекторыБлагодаря продуманной конструкции электродов и двумерных материалов был достигнут эффект экранирования темных носителей, что значительно снизило уровень шумовых помех и еще больше повысило эффективность обнаружения.
Эффективность данного детектора не только отражается в фотоэлектрических характеристиках, но и открывает широкие перспективы применения. Благодаря эффективному блокированию темнового тока при комнатной температуре и эффективному поглощению фотогенерированных носителей заряда, этот детектор особенно подходит для обнаружения слабых световых сигналов в таких областях, как мониторинг окружающей среды, астрономические наблюдения и оптическая связь. Это научное достижение не только открывает новые идеи для разработки фотодетекторов на основе низкоразмерных материалов, но и открывает новые возможности для будущих исследований и разработок высокопроизводительных и маломощных оптоэлектронных устройств.
Время публикации: 18 июня 2025 г.