Высокопроизводительный автономныйинфракрасный фотодетектор
инфракрасноефотодетекторОбладает такими характеристиками, как высокая помехоустойчивость, высокая способность к распознаванию целей, всепогодная работа и хорошая маскировка. Играет все более важную роль в таких областях, как медицина, военное дело, космическая техника и экологическая инженерия. Среди них – самодвижущийсяфотоэлектрическое обнаружениеБлагодаря своим уникальным характеристикам (таким как энергонезависимость, высокая чувствительность и стабильность и т. д.), микросхемы, способные работать автономно без внешнего дополнительного источника питания, привлекли широкое внимание в области инфракрасного обнаружения. В отличие от них, традиционные фотоэлектрические микросхемы, такие как микросхемы на основе кремния или узкозонных полупроводников, требуют не только дополнительных напряжений смещения для разделения фотогенерированных носителей и генерации фототоков, но и дополнительных систем охлаждения для снижения теплового шума и повышения быстродействия. Поэтому становится сложно удовлетворить новые концепции и требования следующего поколения микросхем инфракрасного обнаружения, такие как низкое энергопотребление, малый размер, низкая стоимость и высокая производительность.
Недавно исследовательские группы из Китая и Швеции предложили новый самоуправляемый фотоэлектрический чип для ближнего инфракрасного (SWIR) диапазона на основе гетероперехода с p-n-переходом, использующий пленки из графеновых нанолент (GNR)/оксид алюминия/монокристаллический кремний. Благодаря комбинированному эффекту оптического затвора, создаваемого гетерогенным интерфейсом, и встроенному электрическому полю, чип продемонстрировал сверхвысокую скорость отклика и детектирования при нулевом напряжении смещения. Фотоэлектрический чип имеет скорость отклика до 75,3 А/Вт в самоуправляемом режиме, скорость детектирования 7,5 × 10¹⁴ Джонс и внешнюю квантовую эффективность, близкую к 104%, что на рекордные 7 порядков улучшает характеристики детектирования аналогичных кремниевых чипов. Кроме того, в обычном режиме работы скорость отклика, скорость обнаружения и внешняя квантовая эффективность чипа достигают 843 А/Вт, 10¹⁵ Джонс и 105% соответственно, что является самыми высокими значениями, зарегистрированными в современных исследованиях. В то же время, данное исследование продемонстрировало практическое применение фотоэлектрического детектора в области оптической связи и инфракрасной визуализации, подчеркнув его огромный потенциал применения.
Для систематического изучения фотоэлектрических характеристик фотодетектора на основе графеновых нанолент /Al₂O₃/монокристаллического кремния исследователи протестировали его статические (вольт-амперная характеристика) и динамические характеристики (вольт-амперная характеристика). Для систематической оценки оптических характеристик гетероструктурного фотодетектора на основе графеновых нанолент /Al₂O₃/монокристаллического кремния при различных напряжениях смещения исследователи измерили динамический ток устройства при напряжениях смещения 0 В, -1 В, -3 В и -5 В при плотности оптической мощности 8,15 мкВт/см². Фототок увеличивается с обратным смещением и демонстрирует высокую скорость отклика при всех напряжениях смещения.
Наконец, исследователи создали систему визуализации и успешно добились автономной визуализации коротковолнового инфракрасного излучения. Система работает при нулевом смещении и не потребляет энергии вообще. Возможности визуализации фотодетектора были оценены с использованием черной маски с буквенным рисунком «Т» (как показано на рисунке 1).
В заключение, данное исследование успешно создало автономные фотодетекторы на основе графеновых нанолент и достигло рекордно высокой скорости отклика. Кроме того, исследователи успешно продемонстрировали возможности оптической связи и визуализации этого устройства.высокочувствительный фотодетекторДанное исследование не только предлагает практический подход к разработке графеновых нанолент и оптоэлектронных устройств на основе кремния, но и демонстрирует их превосходные характеристики в качестве автономных фотодетекторов коротковолнового инфракрасного излучения.
Дата публикации: 28 апреля 2025 г.