Bipolar bidimensionalfotodetector de avalanchas
O fotodetector de avalanchas bidimensional bipolar (Fotodetector APD) consegue un ruído ultrabaixo e unha detección de alta sensibilidade
A detección de alta sensibilidade duns poucos fotóns ou mesmo de fotóns individuais ten importantes perspectivas de aplicación en campos como a imaxe de luz débil, a teledetección e a telemetría, e a comunicación cuántica. Entre eles, o fotodetector de avalanchas (APD) converteuse nunha dirección importante no campo da investigación de dispositivos optoelectrónicos debido ás súas características de pequeno tamaño, alta eficiencia e fácil integración. A relación sinal-ruído (SNR) é un indicador importante do fotodetector APD, que require alta ganancia e baixa corrente de escuridade. A investigación sobre heterounións de van der Waals de materiais bidimensionais (2D) mostra amplas perspectivas no desenvolvemento de APD de alto rendemento. Investigadores de China seleccionaron o material semicondutor bidimensional bipolar WSe₂ como material fotosensible e prepararon meticulosamente un fotodetector APD cunha estrutura Pt/WSe₂/Ni que ten a mellor función de traballo de correspondencia, para resolver o problema inherente de ruído de ganancia do fotodetector APD tradicional.
O equipo de investigación propuxo un fotodetector de avalanchas baseado na estrutura Pt/WSe₂/Ni, que conseguiu unha detección altamente sensible de sinais de luz extremadamente débiles ao nivel de fW a temperatura ambiente. Seleccionaron o material semicondutor bidimensional WSe₂, que ten excelentes propiedades eléctricas, e combinaron materiais de eléctrodos de Pt e Ni para desenvolver con éxito un novo tipo de fotodetector de avalanchas. Ao optimizar con precisión a coincidencia da función de traballo entre Pt, WSe₂ e Ni, deseñouse un mecanismo de transporte que pode bloquear eficazmente os portadores escuros e, ao mesmo tempo, permitir selectivamente o paso dos portadores fotoxerados. Este mecanismo reduce significativamente o ruído excesivo causado pola ionización por impacto de portadores, o que permite que o fotodetector logre unha detección de sinal óptico altamente sensible a un nivel de ruído extremadamente baixo.
Despois, para aclarar o mecanismo que subxace ao efecto de avalancha inducido polo débil campo eléctrico, os investigadores avaliaron inicialmente a compatibilidade das funcións de traballo inherentes de varios metais con WSe₂. Fabricouse unha serie de dispositivos metal-semicondutor-metal (MSM) con diferentes eléctrodos metálicos e realizáronse as probas pertinentes neles. Ademais, ao reducir a dispersión do portador antes de que comece a avalancha, pódese mitigar a aleatoriedade da ionización por impacto, reducindo así o ruído. Polo tanto, realizáronse as probas pertinentes. Para demostrar aínda máis a superioridade do APD Pt/WSe₂/Ni en termos de características de resposta temporal, os investigadores avaliaron aínda máis o ancho de banda de -3 dB do dispositivo baixo diferentes valores de ganancia fotoeléctrica.
Os resultados experimentais amosan que o detector de Pt/WSe₂/Ni presenta unha potencia equivalente de ruído (NEP) extremadamente baixa a temperatura ambiente, que é de só 8,07 fW/√Hz. Isto significa que o detector pode identificar sinais ópticos extremadamente débiles. Ademais, este dispositivo pode funcionar de forma estable a unha frecuencia de modulación de 20 kHz cunha alta ganancia de 5×10⁵, resolvendo con éxito o colo de botella técnico dos detectores fotovoltaicos tradicionais que teñen dificultades para equilibrar a alta ganancia e o ancho de banda. Espérase que esta característica lle proporcione vantaxes significativas en aplicacións que requiren alta ganancia e baixo ruído.
Esta investigación demostra o papel crucial da enxeñaría de materiais e a optimización de interfaces na mellora do rendemento defotodetectoresMediante un deseño enxeñoso de eléctrodos e materiais bidimensionais, conseguiuse un efecto de blindaxe dos portadores escuros, o que reduce significativamente a interferencia de ruído e mellora aínda máis a eficiencia da detección.
O rendemento deste detector non só se reflicte nas características fotoeléctricas, senón que tamén ten amplas perspectivas de aplicación. Co seu bloqueo eficaz da corrente escura a temperatura ambiente e a súa absorción eficiente dos portadores fotoxerados, este detector é especialmente axeitado para detectar sinais de luz débiles en campos como a monitorización ambiental, a observación astronómica e a comunicación óptica. Este logro da investigación non só proporciona novas ideas para o desenvolvemento de fotodetectores de materiais de baixa dimensionalidade, senón que tamén ofrece novas referencias para a futura investigación e desenvolvemento de dispositivos optoelectrónicos de alto rendemento e baixa potencia.
Data de publicación: 18 de xuño de 2025