Биполарни дводимензионалнифотодетектор лавине
Биполарни дводимензионални лавински фотодетектор (АПД фотодетектор) постиже ултра-низак ниво шума и високу осетљивост детекције
Детекција неколико фотона или чак појединачних фотона високе осетљивости има важне перспективе примене у областима као што су снимање при слабом светлу, даљинска детекција и телеметрија, и квантна комуникација. Међу њима, лавински фотодетектор (APD) постао је важан правац у области истраживања оптоелектронских уређаја због својих карактеристика мале величине, високе ефикасности и лаке интеграције. Однос сигнал-шум (SNR) је важан индикатор APD фотодетектора, који захтева високо појачање и ниску струју таме. Истраживање ван дер Валсових хетероспојева дводимензионалних (2D) материјала показује широке перспективе у развоју високоперформансних APD-ова. Истраживачи из Кине су изабрали биполарни дводимензионални полупроводнички материјал WSe₂ као фотосензитивни материјал и пажљиво припремили APD фотодетектор са Pt/WSe₂/Ni структуром која има најбоље подударање радне функције, како би решили проблем инхерентног шума појачања традиционалног APD фотодетектора.
Истраживачки тим је предложио лавински фотодетектор заснован на структури Pt/WSe₂/Ni, који је постигао високо осетљиву детекцију изузетно слабих светлосних сигнала на fW нивоу на собној температури. Одабрали су дводимензионални полупроводнички материјал WSe₂, који има одлична електрична својства, и комбиновали су Pt и Ni електродне материјале како би успешно развили нови тип лавинског фотодетектора. Прецизном оптимизацијом подударања излазне функције између Pt, WSe₂ и Ni, дизајниран је транспортни механизам који може ефикасно блокирати тамне носиоце, док селективно пропушта фотогенерисане носиоце. Овај механизам значајно смањује прекомерну буку изазвану јонизацијом удара носилаца, омогућавајући фотодетектору да постигне високо осетљиву детекцију оптичког сигнала на изузетно ниском нивоу шума.
Затим, како би разјаснили механизам који стоји иза ефекта лавине изазваног слабим електричним пољем, истраживачи су првобитно проценили компатибилност инхерентних излазних функција различитих метала са WSe₂. Направљена је серија метал-полупроводник-метал (МСМ) уређаја са различитим металним електродама и на њима су спроведена релевантна испитивања. Поред тога, смањењем расејања носилаца пре почетка лавине, може се ублажити случајност јонизације удара, чиме се смањује шум. Стога су спроведена релевантна испитивања. Да би се додатно показала супериорност Pt/WSe₂/Ni лавинског фотодифузног фотонапона (АПД) у погледу карактеристика временског одзива, истраживачи су додатно проценили пропусни опсег уређаја од -3 dB под различитим вредностима фотоелектричног појачања.
Експериментални резултати показују да Pt/WSe₂/Ni детектор показује изузетно ниску еквивалентну снагу шума (NEP) на собној температури, која износи само 8,07 fW/√Hz. То значи да детектор може да идентификује изузетно слабе оптичке сигнале. Поред тога, овај уређај може стабилно да ради на модулационој фреквенцији од 20 kHz са високим појачањем од 5×10⁵, успешно решавајући техничко уско грло традиционалних фотонапонских детектора, код којих је тешко уравнотежити високо појачање и пропусни опсег. Очекује се да ће му ова карактеристика пружити значајне предности у применама које захтевају високо појачање и низак ниво шума.
Ово истраживање показује кључну улогу инжењерства материјала и оптимизације интерфејса у побољшању перформансифотодетекториЗахваљујући генијалном дизајну електрода и дводимензионалних материјала, постигнут је ефекат заштите тамних носача, значајно смањујући сметње шума и додатно побољшавајући ефикасност детекције.
Перформансе овог детектора се не огледају само у фотоелектричним карактеристикама, већ имају и широке могућности примене. Са својим ефикасним блокирањем тамне струје на собној температури и ефикасном апсорпцијом фотогенерисаних носача, овај детектор је посебно погодан за детекцију слабих светлосних сигнала у областима као што су праћење животне средине, астрономско посматрање и оптичка комуникација. Ово истраживачко достигнуће не само да пружа нове идеје за развој фотодетектора од нискодимензионалних материјала, већ нуди и нове референце за будућа истраживања и развој високоперформансних и нискоенергетских оптоелектронских уређаја.
Време објаве: 18. јун 2025.