Bipolar bidimensionalfotodetector d'allaus
El fotodetector d'allaus bidimensional bipolar (fotodetector APD) aconsegueix un soroll ultrabaix i una detecció d'alta sensibilitat
La detecció d'alta sensibilitat de pocs fotons o fins i tot fotons individuals té importants perspectives d'aplicació en camps com la imatge amb llum feble, la teledetecció i la telemetria, i la comunicació quàntica. Entre ells, el fotodetector d'allaus (APD) s'ha convertit en una direcció important en el camp de la investigació de dispositius optoelectrònics a causa de les seves característiques de petita mida, alta eficiència i fàcil integració. La relació senyal-soroll (SNR) és un indicador important del fotodetector APD, que requereix un guany elevat i un corrent de foscor baix. La investigació sobre heterojuncions de van der Waals de materials bidimensionals (2D) mostra àmplies perspectives en el desenvolupament d'APD d'alt rendiment. Investigadors de la Xina van seleccionar el material semiconductor bidimensional bipolar WSe₂ com a material fotosensible i van preparar meticulosament un fotodetector APD amb una estructura Pt/WSe₂/Ni que té la millor funció de treball d'adaptació, per tal de resoldre el problema inherent de soroll de guany del fotodetector APD tradicional.
L'equip de recerca va proposar un fotodetector d'allaus basat en l'estructura Pt/WSe₂/Ni, que aconseguia una detecció altament sensible de senyals de llum extremadament febles al nivell de fW a temperatura ambient. Van seleccionar el material semiconductor bidimensional WSe₂, que té excel·lents propietats elèctriques, i van combinar materials d'elèctrode de Pt i Ni per desenvolupar amb èxit un nou tipus de fotodetector d'allaus. En optimitzar amb precisió la coincidència de la funció de treball entre Pt, WSe₂ i Ni, es va dissenyar un mecanisme de transport que pot bloquejar eficaçment els portadors foscos alhora que permet selectivament el pas dels portadors fotogenerats. Aquest mecanisme redueix significativament el soroll excessiu causat per la ionització per impacte del portador, permetent que el fotodetector aconsegueixi una detecció de senyal òptic altament sensible a un nivell de soroll extremadament baix.
Aleshores, per tal d'aclarir el mecanisme darrere de l'efecte d'allau induït pel feble camp elèctric, els investigadors van avaluar inicialment la compatibilitat de les funcions de treball inherents de diversos metalls amb el WSe₂. Es va fabricar una sèrie de dispositius metall-semiconductor-metall (MSM) amb diferents elèctrodes metàl·lics i es van dur a terme les proves pertinents. A més, en reduir la dispersió del portador abans que comenci l'allau, es pot mitigar l'aleatorietat de la ionització per impacte, reduint així el soroll. Per tant, es van dur a terme les proves pertinents. Per demostrar encara més la superioritat de l'APD Pt/WSe₂/Ni pel que fa a les característiques de resposta temporal, els investigadors van avaluar encara més l'amplada de banda de -3 dB del dispositiu sota diferents valors de guany fotoelèctric.
Els resultats experimentals mostren que el detector de Pt/WSe₂/Ni presenta una potència equivalent de soroll (NEP) extremadament baixa a temperatura ambient, que és de només 8,07 fW/√Hz. Això significa que el detector pot identificar senyals òptics extremadament febles. A més, aquest dispositiu pot funcionar de manera estable a una freqüència de modulació de 20 kHz amb un guany elevat de 5×10⁵, resolent amb èxit el coll d'ampolla tècnic dels detectors fotovoltaics tradicionals que tenen dificultats per equilibrar un guany elevat i un ample de banda. S'espera que aquesta característica li proporcioni avantatges significatius en aplicacions que requereixen un guany elevat i un baix soroll.
Aquesta investigació demostra el paper crucial de l'enginyeria de materials i l'optimització d'interfícies en la millora del rendiment defotodetectorsMitjançant un disseny enginyós d'elèctrodes i materials bidimensionals, s'ha aconseguit un efecte de blindatge dels portadors foscos, reduint significativament la interferència de soroll i millorant encara més l'eficiència de detecció.
El rendiment d'aquest detector no només es reflecteix en les característiques fotoelèctriques, sinó que també té àmplies perspectives d'aplicació. Amb el seu bloqueig eficaç del corrent fosc a temperatura ambient i l'absorció eficient dels portadors fotogenerats, aquest detector és particularment adequat per detectar senyals de llum febles en camps com la monitorització ambiental, l'observació astronòmica i la comunicació òptica. Aquest assoliment de recerca no només proporciona noves idees per al desenvolupament de fotodetectors de materials de baixa dimensionalitat, sinó que també ofereix noves referències per a la futura investigació i desenvolupament de dispositius optoelectrònics d'alt rendiment i baix consum.
Data de publicació: 18 de juny de 2025