Bipolar two-dimensional avalanche photodetector

Bipolar na dalawang-dimensyonphotodetector ng avalanche

Ang bipolar two-dimensional avalanche photodetector (Detektor ng APD) nakakamit ng ultra-low noise at mataas na sensitivity detection

Ang high-sensitivity detection ng ilang photon o kahit na iisang photon ay may mahahalagang posibilidad ng aplikasyon sa mga larangan tulad ng weak light imaging, remote sensing at telemetry, at quantum communication. Kabilang sa mga ito, ang avalanche photodetector (APD) ay naging isang mahalagang direksyon sa larangan ng pananaliksik sa optoelectronic device dahil sa mga katangian nito na maliit ang sukat, mataas na kahusayan, at madaling integrasyon. Ang signal-to-noise ratio (SNR) ay isang mahalagang tagapagpahiwatig ng APD photodetector, na nangangailangan ng mataas na gain at mababang dark current. Ang pananaliksik sa van der Waals heterojunctions ng two-dimensional (2D) na mga materyales ay nagpapakita ng malawak na posibilidad sa pagbuo ng mga high-performance APD. Pinili ng mga mananaliksik mula sa Tsina ang bipolar two-dimensional semiconductor material na WSe₂ bilang photosensitive material at maingat na inihanda ang APD photodetector na may Pt/WSe₂/Ni structure na may pinakamahusay na matching work function, upang malutas ang problema sa inherent gain noise ng tradisyonal na APD photodetector.

Nagpanukala ang pangkat ng pananaliksik ng isang avalanche photodetector batay sa istrukturang Pt/WSe₂/Ni, na nakamit ang lubos na sensitibong pagtuklas ng mga napakahinang signal ng liwanag sa antas ng fW sa temperatura ng silid. Pinili nila ang two-dimensional semiconductor material na WSe₂, na may mahusay na mga katangiang elektrikal, at pinagsama ang mga materyales ng Pt at Ni electrode upang matagumpay na bumuo ng isang bagong uri ng avalanche photodetector. Sa pamamagitan ng tumpak na pag-optimize ng pagtutugma ng work function sa pagitan ng Pt, WSe₂ at Ni, isang mekanismo ng transportasyon ang dinisenyo na maaaring epektibong harangan ang mga madilim na carrier habang piling pinapayagan ang mga photogenerated carrier na dumaan. Ang mekanismong ito ay makabuluhang binabawasan ang labis na ingay na dulot ng carrier impact ionization, na nagbibigay-daan sa photodetector na makamit ang lubos na sensitibong optical signal detection sa isang napakababang antas ng ingay.

Pagkatapos, upang linawin ang mekanismo sa likod ng epekto ng avalanche na dulot ng mahinang electric field, sinuri muna ng mga mananaliksik ang pagiging tugma ng likas na work function ng iba't ibang metal sa WSe₂. Isang serye ng mga metal-semiconductor-metal (MSM) device na may iba't ibang metal electrodes ang ginawa at isinagawa ang mga kaugnay na pagsubok sa mga ito. Bukod pa rito, sa pamamagitan ng pagbabawas ng carrier scattering bago magsimula ang avalanche, maaaring mabawasan ang randomness ng impact ionization, sa gayon ay nababawasan ang ingay. Samakatuwid, isinagawa ang mga kaugnay na pagsubok. Upang higit pang maipakita ang kahusayan ng Pt/WSe₂/Ni APD sa mga tuntunin ng mga katangian ng time response, sinuri pa ng mga mananaliksik ang -3 dB bandwidth ng device sa ilalim ng iba't ibang halaga ng photoelectric gain.

Ipinapakita ng mga resulta ng eksperimento na ang Pt/WSe₂/Ni detector ay nagpapakita ng napakababang noise equivalent power (NEP) sa temperatura ng silid, na 8.07 fW/√Hz lamang. Nangangahulugan ito na kayang matukoy ng detector ang mga napakahinang optical signal. Bukod pa rito, ang aparatong ito ay maaaring gumana nang matatag sa modulation frequency na 20 kHz na may mataas na gain na 5×10⁵, na matagumpay na lumulutas sa teknikal na bottleneck ng mga tradisyonal na photovoltaic detector na mahirap balansehin ang mataas na gain at bandwidth. Inaasahang magbibigay ang feature na ito ng mga makabuluhang bentahe sa mga aplikasyon na nangangailangan ng mataas na gain at mababang noise.

Ipinapakita ng pananaliksik na ito ang mahalagang papel ng material engineering at interface optimization sa pagpapahusay ng performance ngmga photodetectorSa pamamagitan ng mapanlikhang disenyo ng mga electrode at two-dimensional na materyales, nakamit ang isang panangga na epekto ng mga dark carrier, na makabuluhang nagbawas ng interference sa ingay at lalong nagpapabuti sa kahusayan ng pagtuklas.

Ang pagganap ng detektor na ito ay hindi lamang makikita sa mga katangiang photoelectric, kundi mayroon din itong malawak na posibilidad ng aplikasyon. Dahil sa mabisang pagharang nito sa madilim na kuryente sa temperatura ng silid at mahusay na pagsipsip ng mga photogenerated carrier, ang detektor na ito ay partikular na angkop para sa pagtukoy ng mahinang signal ng liwanag sa mga larangan tulad ng pagsubaybay sa kapaligiran, obserbasyon sa astronomiya, at komunikasyon sa optika. Ang tagumpay sa pananaliksik na ito ay hindi lamang nagbibigay ng mga bagong ideya para sa pagbuo ng mga low-dimensional na photodetector ng materyal, kundi nag-aalok din ng mga bagong sanggunian para sa pananaliksik at pagbuo ng mga high-performance at low-power na optoelectronic device sa hinaharap.