Биполярно двуизмернолавинов фотодетектор
Биполярният двуизмерен лавинов фотодетектор (APD фотодетектор) постига ултра нисък шум и висока чувствителност на откриване
Високочувствителното откриване на няколко фотона или дори единични фотони има важни перспективи за приложение в области като изображения със слаба светлина, дистанционно наблюдение и телеметрия, както и квантова комуникация. Сред тях, лавинният фотодетектор (APD) се е превърнал във важно направление в областта на изследванията на оптоелектронни устройства, благодарение на характеристиките си малък размер, висока ефективност и лесна интеграция. Съотношението сигнал/шум (SNR) е важен индикатор за APD фотодетектора, който изисква високо усилване и нисък тъмен ток. Изследванията на ван дер Ваалсови хетеропреходи на двуизмерни (2D) материали показват широки перспективи в разработването на високопроизводителни APD. Изследователи от Китай избраха биполярен двуизмерен полупроводников материал WSe₂ като фоточувствителен материал и щателно подготвиха APD фотодетектор със структура Pt/WSe₂/Ni, която има най-добрата съгласувана работна функция, за да решат присъщия проблем с шума на усилването на традиционния APD фотодетектор.
Изследователският екип предложи лавинен фотодетектор, базиран на структурата Pt/WSe₂/Ni, който постига високочувствително откриване на изключително слаби светлинни сигнали на ниво fW при стайна температура. Те избраха двуизмерния полупроводников материал WSe₂, който има отлични електрически свойства, и комбинираха Pt и Ni електродни материали, за да разработят успешно нов тип лавинен фотодетектор. Чрез прецизно оптимизиране на съвпадението на работата на изхода между Pt, WSe₂ и Ni е проектиран транспортен механизъм, който може ефективно да блокира тъмните носители, като същевременно селективно позволява на фотогенерираните носители да преминават. Този механизъм значително намалява прекомерния шум, причинен от йонизацията от удар на носителите, което позволява на фотодетектора да постигне високочувствително откриване на оптичен сигнал при изключително ниско ниво на шум.
След това, за да изяснят механизма зад лавинния ефект, предизвикан от слабото електрическо поле, изследователите първоначално оцениха съвместимостта на присъщите работни функции на различни метали с WSe₂. Беше изработена серия от метал-полупроводник-метал (MSM) устройства с различни метални електроди и върху тях бяха проведени съответните тестове. Освен това, чрез намаляване на разсейването на носителите преди началото на лавината, може да се смекчи случайността на ударната йонизация, като по този начин се намали шумът. Поради това бяха проведени съответните тестове. За да се демонстрира допълнително превъзходството на Pt/WSe₂/Ni APD по отношение на характеристиките на времевия отговор, изследователите допълнително оцениха честотната лента от -3 dB на устройството при различни стойности на фотоелектрическото усилване.
Експерименталните резултати показват, че Pt/WSe₂/Ni детекторът проявява изключително ниска еквивалентна мощност на шум (NEP) при стайна температура, която е само 8,07 fW/√Hz. Това означава, че детекторът може да идентифицира изключително слаби оптични сигнали. Освен това, устройството може да работи стабилно при честота на модулация от 20 kHz с високо усилване от 5×10⁵, като успешно решава техническото затруднение на традиционните фотоволтаични детектори, при които е трудно да се балансира високото усилване и честотната лента. Очаква се тази функция да му осигури значителни предимства в приложения, които изискват високо усилване и нисък шум.
Това изследване демонстрира решаващата роля на материалното инженерство и оптимизацията на интерфейса за подобряване на производителността на...фотодетекториЧрез гениален дизайн на електродите и двуизмерните материали е постигнат екраниращ ефект на тъмните носители, което значително намалява шумовите смущения и допълнително подобрява ефективността на откриване.
Производителността на този детектор се отразява не само във фотоелектричните характеристики, но и има широки перспективи за приложение. С ефективното си блокиране на тъмния ток при стайна температура и ефикасното поглъщане на фотогенерирани носители, този детектор е особено подходящ за откриване на слаби светлинни сигнали в области като мониторинг на околната среда, астрономически наблюдения и оптична комуникация. Това изследователско постижение не само предоставя нови идеи за разработването на фотодетектори с нискоразмерни материали, но и предлага нови референции за бъдещи изследвания и разработки на високопроизводителни и нискоенергийни оптоелектронни устройства.
Време на публикуване: 18 юни 2025 г.