Низкий порог инфракрасного излучениялавинный фотодетектор
Инфракрасный лавинный фотодетектор (Фотодетектор APD) — это классполупроводниковые фотоэлектрические приборыкоторые обеспечивают высокий коэффициент усиления за счёт эффекта столкновительной ионизации, что позволяет обнаруживать несколько фотонов или даже отдельные фотоны. Однако в традиционных структурах фотодетекторов на основе лавинных фотодиодов процесс рассеяния неравновесных носителей заряда приводит к потерям энергии, поэтому пороговое напряжение лавинного пробоя обычно должно достигать 50–200 В. Это предъявляет более высокие требования к напряжению питания устройства и конструкции схемы считывания, увеличивая стоимость и ограничивая возможности его применения.
Недавно китайские исследователи предложили новую структуру лавинного детектора ближнего инфракрасного диапазона с низким пороговым напряжением лавинного пробоя и высокой чувствительностью. Основанный на самолегированном гомопереходе атомного слоя, лавинный фотодетектор решает проблему вредного рассеяния, вызванного дефектным состоянием интерфейса, которое неизбежно в гетеропереходе. Между тем, сильное локальное «пиковое» электрическое поле, вызванное нарушением трансляционной симметрии, используется для усиления кулоновского взаимодействия между носителями, подавления рассеяния, доминирующего внеплоскостными фононными модами, и достижения высокой эффективности удвоения неравновесных носителей. При комнатной температуре пороговая энергия близка к теоретическому пределу Eg (Eg — ширина запрещенной зоны полупроводника), а чувствительность обнаружения инфракрасного лавинного детектора достигает уровня 10000 фотонов.
Данное исследование основано на использовании гомоперехода диселенида вольфрама (WSe₂) (двумерного халькогенида переходного металла, TMD) с самолегированием атомным слоем в качестве среды усиления для лавинного движения носителей заряда. Нарушение пространственной трансляционной симметрии достигается путём создания ступенчатой топографической мутации, создающей сильное локальное «пиковое» электрическое поле на границе мутантного гомоперехода.
Кроме того, атомная толщина позволяет подавить механизм рассеяния, в котором доминирует фононная мода, и реализовать процесс ускорения и размножения неравновесных носителей заряда с очень малыми потерями. Это приближает пороговую энергию лавинного пробоя при комнатной температуре к теоретическому пределу, т.е. к ширине запрещённой зоны полупроводника (например, Eg). Пороговое напряжение лавинного пробоя было снижено с 50 В до 1,6 В, что позволило исследователям использовать современные низковольтные цифровые схемы для управления лавинным пробоем.фотодетектора также управляющие диоды и транзисторы. В данном исследовании реализовано эффективное преобразование и использование энергии неравновесных носителей заряда посредством реализации эффекта лавинного умножения с низким порогом, что открывает новые перспективы для разработки следующего поколения высокочувствительных технологий лавинного инфракрасного детектирования с низким порогом и высоким коэффициентом усиления.
Время публикации: 16 апреля 2025 г.