Bipolär tvådimensionelllavinfotodetektor
Den bipolära tvådimensionella lavinfotodetektorn (APD-fotodetektor) uppnår ultralågt brus och detektering med hög känslighet
Högkänslig detektering av få fotoner eller till och med enstaka fotoner har viktiga tillämpningsmöjligheter inom områden som avbildning av svagt ljus, fjärranalys och telemetri, samt kvantkommunikation. Bland dessa har lavinfotodetektorn (APD) blivit en viktig inriktning inom forskning om optoelektroniska apparater på grund av dess egenskaper som liten storlek, hög effektivitet och enkel integration. Signal-brusförhållandet (SNR) är en viktig indikator på APD-fotodetektorer, som kräver hög förstärkning och låg mörkström. Forskningen om van der Waals heterojunktioner i tvådimensionella (2D) material visar breda möjligheter för utvecklingen av högpresterande APD:er. Forskare från Kina valde det bipolära tvådimensionella halvledarmaterialet WSe₂ som det ljuskänsliga materialet och en noggrant förberedd APD-fotodetektor med en Pt/WSe₂/Ni-struktur som har den bästa matchande arbetsfunktionen, för att lösa det inneboende förstärkningsbrusproblemet hos traditionella APD-fotodetektorer.
Forskargruppen föreslog en lavinfotodetektor baserad på Pt/WSe₂/Ni-strukturen, som uppnådde mycket känslig detektering av extremt svaga ljussignaler vid fW-nivå vid rumstemperatur. De valde det tvådimensionella halvledarmaterialet WSe₂, som har utmärkta elektriska egenskaper, och kombinerade Pt- och Ni-elektrodmaterial för att framgångsrikt utveckla en ny typ av lavinfotodetektor. Genom att exakt optimera arbetsfunktionsmatchningen mellan Pt, WSe₂ och Ni, utformades en transportmekanism som effektivt kan blockera mörka bärvågor samtidigt som den selektivt tillåter fotogenererade bärvågor att passera igenom. Denna mekanism minskar avsevärt det överdrivna bruset som orsakas av jonisering av bärare, vilket gör det möjligt för fotodetektorn att uppnå mycket känslig optisk signaldetektering vid en extremt låg brusnivå.
För att klargöra mekanismen bakom lavineffekten som induceras av det svaga elektriska fältet, utvärderade forskarna initialt kompatibiliteten mellan de inneboende arbetsfunktionerna hos olika metaller och WSe₂. En serie metall-halvledare-metall (MSM)-komponenter med olika metallelektroder tillverkades och relevanta tester utfördes på dem. Genom att minska bärvågsspridning innan lavinen börjar kan dessutom slumpmässigheten i jonisering vid stötar mildras, vilket minskar bruset. Därför utfördes relevanta tester. För att ytterligare demonstrera överlägsenheten hos Pt/WSe₂/Ni APD när det gäller tidsresponsegenskaper, utvärderade forskarna ytterligare enhetens -3 dB-bandbredd under olika fotoelektriska förstärkningsvärden.
De experimentella resultaten visar att Pt/WSe₂/Ni-detektorn uppvisar en extremt låg brusekvivalent effekt (NEP) vid rumstemperatur, vilket endast är 8,07 fW/√Hz. Detta innebär att detektorn kan identifiera extremt svaga optiska signaler. Dessutom kan denna enhet arbeta stabilt vid en modulationsfrekvens på 20 kHz med en hög förstärkning på 5×10⁵, vilket framgångsrikt löser den tekniska flaskhalsen hos traditionella solcellsdetektorer som är svåra att balansera hög förstärkning och bandbredd. Denna funktion förväntas ge den betydande fördelar i applikationer som kräver hög förstärkning och lågt brus.
Denna forskning visar den avgörande rollen av materialteknik och gränssnittsoptimering för att förbättra prestandan hosfotodetektorerGenom sinnrik design av elektroder och tvådimensionella material har en avskärmande effekt av mörka bärvågor uppnåtts, vilket avsevärt minskar brusstörningar och ytterligare förbättrar detektionseffektiviteten.
Detektorns prestanda återspeglas inte bara i de fotoelektriska egenskaperna, utan har även breda tillämpningsmöjligheter. Med sin effektiva blockering av mörkerström vid rumstemperatur och effektiva absorption av fotogenererade bärvågor är denna detektor särskilt lämplig för att detektera svaga ljussignaler inom områden som miljöövervakning, astronomisk observation och optisk kommunikation. Denna forskningsprestation ger inte bara nya idéer för utveckling av fotodetektorer för lågdimensionella material, utan erbjuder också nya referenser för framtida forskning och utveckling av högpresterande och energisnåla optoelektroniska enheter.
Publiceringstid: 18 juni 2025