Bipolaire tweedimensionalelawine fotodetector
De bipolaire tweedimensionale lawinefotodetector (APD-fotodetector) bereikt een uiterst lage ruis en een hoge gevoeligheidsdetectie
Hooggevoelige detectie van enkele fotonen of zelfs enkele fotonen biedt belangrijke toepassingsmogelijkheden in vakgebieden zoals zwaklichtbeeldvorming, remote sensing en telemetrie, en kwantumcommunicatie. De lawinefotodetector (APD) is een belangrijke richting in het onderzoek naar opto-elektronische apparaten geworden vanwege zijn kenmerken van kleine afmetingen, hoge efficiëntie en eenvoudige integratie. De signaal-ruisverhouding (SNR) is een belangrijke indicator van een APD-fotodetector, die een hoge versterking en lage donkerstroom vereist. Het onderzoek naar van der Waals-heterojuncties van tweedimensionale (2D) materialen toont brede perspectieven voor de ontwikkeling van hoogwaardige APD's. Onderzoekers uit China selecteerden het bipolaire tweedimensionale halfgeleidermateriaal WSe₂ als lichtgevoelig materiaal en bereidden een APD-fotodetector zorgvuldig voor met een Pt/WSe₂/Ni-structuur die de best passende werkfunctie heeft, om het inherente versterkingsruisprobleem van traditionele APD-fotodetectoren op te lossen.
Het onderzoeksteam stelde een lawinefotodetector voor op basis van de Pt/WSe₂/Ni-structuur, die een zeer gevoelige detectie van extreem zwakke lichtsignalen op fW-niveau bij kamertemperatuur mogelijk maakt. Ze kozen voor het tweedimensionale halfgeleidermateriaal WSe₂, dat uitstekende elektrische eigenschappen heeft, en combineerden Pt- en Ni-elektrodematerialen om met succes een nieuw type lawinefotodetector te ontwikkelen. Door de arbeidsfunctie-matching tussen Pt, WSe₂ en Ni nauwkeurig te optimaliseren, werd een transportmechanisme ontworpen dat donkere ladingen effectief kan blokkeren en tegelijkertijd selectief fotogegenereerde ladingen kan doorlaten. Dit mechanisme vermindert de overmatige ruis veroorzaakt door ionisatie van ladingsdragers aanzienlijk, waardoor de fotodetector een zeer gevoelige optische signaaldetectie kan bereiken met een extreem laag ruisniveau.
Om het mechanisme achter het lawine-effect, veroorzaakt door het zwakke elektrische veld, te verduidelijken, evalueerden de onderzoekers vervolgens eerst de compatibiliteit van de inherente werkfuncties van verschillende metalen met WSe₂. Er werd een reeks metaal-halfgeleider-metaal (MSM)-apparaten met verschillende metaalelektroden gefabriceerd en er werden relevante tests op uitgevoerd. Door de ladingsverstrooiing vóór het begin van de lawine te verminderen, kan bovendien de willekeur van impactionisatie worden verminderd, waardoor ruis wordt verminderd. Daarom werden relevante tests uitgevoerd. Om de superioriteit van Pt/WSe₂/Ni APD in termen van tijdresponskarakteristieken verder aan te tonen, evalueerden de onderzoekers de -3 dB bandbreedte van het apparaat onder verschillende foto-elektrische versterkingswaarden.
De experimentele resultaten tonen aan dat de Pt/WSe₂/Ni-detector een extreem laag ruis-equivalentvermogen (NEP) vertoont bij kamertemperatuur, namelijk slechts 8,07 fW/√Hz. Dit betekent dat de detector extreem zwakke optische signalen kan identificeren. Bovendien kan dit apparaat stabiel werken bij een modulatiefrequentie van 20 kHz met een hoge versterking van 5×10⁵, waarmee het technische knelpunt van traditionele fotovoltaïsche detectoren, die moeilijk een evenwicht vinden tussen hoge versterking en bandbreedte, succesvol wordt opgelost. Deze eigenschap zal naar verwachting aanzienlijke voordelen opleveren in toepassingen die een hoge versterking en lage ruis vereisen.
Dit onderzoek toont de cruciale rol aan van materiaalkunde en interface-optimalisatie bij het verbeteren van de prestaties vanfotodetectorenDankzij het ingenieuze ontwerp van elektroden en tweedimensionale materialen is een afschermend effect van donkere dragers bereikt, waardoor ruisinterferentie aanzienlijk wordt verminderd en de detectie-efficiëntie verder wordt verbeterd.
De prestaties van deze detector komen niet alleen tot uiting in de foto-elektrische eigenschappen, maar bieden ook brede toepassingsmogelijkheden. Dankzij de effectieve blokkering van donkerstroom bij kamertemperatuur en de efficiënte absorptie van fotogegenereerde ladingen is deze detector bijzonder geschikt voor het detecteren van zwakke lichtsignalen in sectoren zoals milieumonitoring, astronomische observatie en optische communicatie. Deze onderzoeksprestatie biedt niet alleen nieuwe ideeën voor de ontwikkeling van fotodetectoren met laagdimensionale materialen, maar biedt ook nieuwe referentiepunten voor toekomstig onderzoek en de ontwikkeling van hoogwaardige en energiezuinige opto-elektronische componenten.
Plaatsingstijd: 18 juni 2025