Mababang threshold na infrared avalanche photodetector

Mababang threshold infraredphotodetector ng avalanche

Ang infrared avalanche photodetector (Detektor ng APD) ay isang klase ngmga aparatong photoelectric na semiconductorna nagbubunga ng mataas na gain sa pamamagitan ng collision ionization effect, upang makamit ang kakayahan sa pag-detect ng ilang photon o kahit na mga iisang photon. Gayunpaman, sa mga kumbensyonal na istruktura ng APD photodetector, ang proseso ng non-equilibrium carrier scattering ay humahantong sa pagkawala ng enerhiya, kung kaya't ang avalanche threshold voltage ay karaniwang kailangang umabot sa 50-200 V. Naglalagay ito ng mas mataas na demand sa drive voltage ng device at disenyo ng readout circuit, na nagpapataas ng mga gastos at naglilimita sa mas malawak na aplikasyon.

Kamakailan lamang, iminungkahi ng pananaliksik na Tsino ang isang bagong istruktura ng avalanche near infrared detector na may mababang avalanche threshold voltage at mataas na sensitivity. Batay sa self-doping homojunction ng atomic layer, nilulutas ng avalanche photodetector ang mapaminsalang scattering na dulot ng interface defect state na hindi maiiwasan sa heterojunction. Samantala, ang malakas na lokal na "peak" electric field na dulot ng translation symmetry breaking ay ginagamit upang mapahusay ang coulomb interaction sa pagitan ng mga carrier, sugpuin ang off-plane phonon mode dominated scattering, at makamit ang mataas na doubling efficiency ng mga non-equilibrium carrier. Sa temperatura ng silid, ang threshold energy ay malapit sa theoretical limit na Eg (Ang Eg ay ang band gap ng semiconductor) at ang detection sensitivity ng infrared avalanche detector ay hanggang sa 10000 photon level.

Ang pag-aaral na ito ay batay sa atom-layer self-doped tungsten diselenide (WSe₂) homojunction (two-dimensional transition metal chalcogenide, TMD) bilang isang gain medium para sa mga avalanche ng charge carrier. Ang spatial translational symmetry breaking ay nakakamit sa pamamagitan ng pagdidisenyo ng isang topography step mutation upang mag-induce ng isang malakas na lokal na "spike" electric field sa mutant homojunction interface.

Bukod pa rito, kayang supilin ng kapal ng atom ang mekanismo ng scattering na pinangungunahan ng phonon mode, at maisakatuparan ang proseso ng acceleration at multiplication ng non-equilibrium carrier na may napakababang loss. Dinadala nito ang avalanche threshold energy sa temperatura ng silid malapit sa theoretical limit ie ang semiconductor material bandgap Hal. Ang avalanche threshold voltage ay nabawasan mula 50 V patungong 1.6 V, na nagpapahintulot sa mga mananaliksik na gumamit ng mga mature low-voltage digital circuits upang patakbuhin ang avalanche.photodetectorpati na rin ang mga drive diode at transistor. Napagtanto ng pag-aaral na ito ang mahusay na conversion at paggamit ng non-equilibrium carrier energy sa pamamagitan ng disenyo ng low threshold avalanche multiplication effect, na nagbibigay ng isang bagong pananaw para sa pag-unlad ng susunod na henerasyon ng highly sensitive, low threshold at high gain avalanche infrared detection technology.