Bipolar two-dimensional avalanche photodetector

Dalawang-dimensional na bipolaravalanche photodetector

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

Ang high-sensitivity detection ng ilang photon o kahit isang photon ay may mahalagang mga prospect ng aplikasyon sa mga larangan tulad ng mahinang 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 ng optoelectronic device dahil sa mga katangian nito ng maliit na sukat, mataas na kahusayan at madaling pagsasama. Ang signal-to-noise ratio (SNR) ay isang mahalagang indicator ng APD photodetector, na nangangailangan ng mataas na gain at mababang dark current. Ang pananaliksik sa mga heterojunction ng van der Waals ng mga two-dimensional (2D) na materyales ay nagpapakita ng malawak na mga prospect sa pagbuo ng mga APD na may mataas na pagganap. Pinili ng mga researcher mula sa China ang bipolar two-dimensional semiconductor material na WSe₂ bilang photosensitive na materyal at masusing inihanda ang APD photodetector na may istrukturang Pt/WSe₂/Ni na may pinakamahusay na pagtutugma ng function ng trabaho, upang malutas ang likas na problema sa pagkakaroon ng ingay ng tradisyonal na APD photodetector.

Ang pangkat ng pananaliksik ay nagmungkahi ng isang avalanche photodetector batay sa istraktura ng Pt/WSe₂/Ni, na nakamit ang napakasensitibong pagtuklas ng napakahinang mga signal ng liwanag sa antas ng fW sa temperatura ng silid. Pinili nila ang dalawang-dimensional na semiconductor na materyal na WSe₂, na may mahusay na mga katangian ng elektrikal, at pinagsama ang Pt at Ni electrode na materyales upang matagumpay na makabuo ng bagong uri ng avalanche photodetector. Sa pamamagitan ng tumpak na pag-optimize sa work function na tumutugma sa pagitan ng Pt, WSe₂ at Ni, isang mekanismo ng transportasyon ang idinisenyo na epektibong harangan ang mga dark carrier habang piling pinapayagan ang mga photogenerated na 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 napakasensitibong optical signal detection sa napakababang antas ng ingay.

Pagkatapos, upang linawin ang mekanismo sa likod ng epekto ng avalanche na dulot ng mahinang electric field, unang sinuri ng mga mananaliksik ang pagiging tugma ng mga likas na function ng trabaho ng iba't ibang mga metal na may WSe₂. Isang serye ng mga aparatong metal-semiconductor-metal (MSM) na may iba't ibang mga electrodes ng metal ay ginawa at isinagawa ang mga nauugnay na pagsubok sa mga ito. Bilang karagdagan, sa pamamagitan ng pagbabawas ng carrier scattering bago magsimula ang avalanche, ang randomness ng impact ionization ay maaaring mabawasan, sa gayon ay binabawasan ang ingay. Samakatuwid, ang mga nauugnay na pagsubok ay isinagawa. Upang higit pang ipakita ang kahusayan ng Pt/WSe₂/Ni APD sa mga tuntunin ng mga katangian ng pagtugon sa oras, mas sinuri ng mga mananaliksik ang -3 dB bandwidth ng device sa ilalim ng iba't ibang mga halaga ng nakuhang photoelectric.

Ipinapakita ng mga eksperimentong resulta na ang Pt/WSe₂/Ni detector ay nagpapakita ng napakababang noise equivalent power (NEP) sa temperatura ng kuwarto, na 8.07 fW/√Hz lamang. Nangangahulugan ito na matutukoy ng detektor ang napakahinang optical signal. Bilang karagdagan, ang device na ito ay maaaring gumana nang matatag sa modulation frequency na 20 kHz na may mataas na gain na 5×10⁵, matagumpay na nilutas ang teknikal na bottleneck ng mga tradisyonal na photovoltaic detector na mahirap balansehin ang mataas na gain at bandwidth. Ang tampok na ito ay inaasahang magbibigay ito ng makabuluhang mga pakinabang sa mga application na nangangailangan ng mataas na pakinabang at mababang ingay.

Ang pananaliksik na ito ay nagpapakita ng mahalagang papel ng material engineering at interface optimization sa pagpapahusay ng pagganap ngmga photodetector. Sa pamamagitan ng mapanlikhang disenyo ng mga electrodes at two-dimensional na materyales, nakamit ang isang shielding effect ng dark carriers, na makabuluhang binabawasan ang ingay na interference at higit na nagpapabuti sa detection efficiency.

Ang pagganap ng detektor na ito ay hindi lamang makikita sa mga katangian ng photoelectric, ngunit mayroon ding malawak na mga prospect ng aplikasyon. Sa epektibong pagharang nito ng madilim na agos sa temperatura ng silid at mahusay na pagsipsip ng mga photogenerated na carrier, ang detektor na ito ay partikular na angkop para sa pag-detect ng mahinang mga signal ng liwanag sa mga larangan tulad ng pagsubaybay sa kapaligiran, pagmamasid sa astronomya, at optical na komunikasyon. Ang tagumpay ng pananaliksik na ito ay hindi lamang nagbibigay ng mga bagong ideya para sa pagbuo ng mga low-dimensional na materyal na photodetector, ngunit nag-aalok din ng mga bagong sanggunian para sa hinaharap na pananaliksik at pagpapaunlad ng mga high-performance at low-power na optoelectronic na device.