Низкий порог инфракрасного излучениялавинный фотодетектор
Инфракрасный лавинный фотодетектор (Фотодетектор APD) — это классполупроводниковые фотоэлектрические приборыкоторые обеспечивают высокий коэффициент усиления за счет эффекта ионизации столкновений, чтобы достичь способности обнаружения нескольких фотонов или даже отдельных фотонов. Однако в обычных структурах фотодетекторов APD процесс рассеяния неравновесных носителей приводит к потере энергии, поэтому пороговое напряжение лавины обычно должно достигать 50-200 В. Это предъявляет более высокие требования к напряжению привода устройства и конструкции схемы считывания, увеличивая затраты и ограничивая более широкое применение.
Недавно китайские исследователи предложили новую структуру лавинного детектора ближнего инфракрасного диапазона с низким пороговым напряжением лавины 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, доминируемого внеплоскостной фононной модой, 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 составляет до 10000 фотонов.
Это исследование основано на атомно-слоевом самолегированном гомопереходе диселенида вольфрама (WSe₂) (двумерный халькогенид переходного металла, TMD) в качестве среды усиления для лавин носителей заряда. Пространственное нарушение трансляционной симметрии достигается путем проектирования мутации шага топографии для индуцирования сильного локального «пикового» электрического поля на интерфейсе гомоперехода мутанта.
Кроме того, атомная толщина может подавить механизм рассеяния, в котором доминирует фононная мода, и реализовать процесс ускорения и умножения неравновесных носителей с очень низкими потерями. Это приближает пороговую энергию лавины при комнатной температуре к теоретическому пределу, т.е. к ширине запрещенной зоны полупроводникового материала, например. Пороговое напряжение лавины было снижено с 50 В до 1,6 В, что позволило исследователям использовать зрелые низковольтные цифровые схемы для управления лавинойфотодетектора также управляющие диоды и транзисторы. Это исследование реализует эффективное преобразование и использование энергии неравновесных носителей посредством разработки эффекта умножения лавин с низким порогом, что обеспечивает новые перспективы для разработки следующего поколения высокочувствительной, низкопороговой и высокоусиленной технологии обнаружения лавинного инфракрасного излучения.
Время публикации: 16 апреля 2025 г.