Bipolar bidimensionalfotodetector de avalanche
O fotodetector de avalanche bidimensional bipolar (Fotodetector APD) alcança ruído ultrabaixo e detecção de alta sensibilidade
A detecção de alta sensibilidade de poucos fótons ou mesmo de fótons individuais apresenta importantes perspectivas de aplicação em áreas como imageamento com luz fraca, sensoriamento remoto e telemetria, e comunicação quântica. Dentre elas, o fotodetector de avalanche (APD) tornou-se uma importante direção na pesquisa de dispositivos optoeletrônicos devido às suas características de tamanho reduzido, alta eficiência e fácil integração. A relação sinal-ruído (SNR) é um importante indicador do desempenho de um fotodetector APD, que requer alto ganho e baixa corrente escura. A pesquisa sobre heterojunções de van der Waals em materiais bidimensionais (2D) demonstra amplas perspectivas no desenvolvimento de APDs de alto desempenho. Pesquisadores da China selecionaram o material semicondutor bipolar bidimensional WSe₂ como material fotossensível e prepararam meticulosamente um fotodetector APD com estrutura Pt/WSe₂/Ni, que apresenta a melhor correspondência de função de trabalho, a fim de solucionar o problema inerente de ruído de ganho dos fotodetectores APD tradicionais.
A equipe de pesquisa propôs um fotodetector de avalanche baseado na estrutura Pt/WSe₂/Ni, que alcançou a detecção altamente sensível de sinais de luz extremamente fracos, na ordem de femtosegundos, à temperatura ambiente. Eles selecionaram o material semicondutor bidimensional WSe₂, que possui excelentes propriedades elétricas, e combinaram materiais de eletrodo de Pt e Ni para desenvolver com sucesso um novo tipo de fotodetector de avalanche. Ao otimizar precisamente a correspondência da função de trabalho entre Pt, WSe₂ e Ni, um mecanismo de transporte foi projetado para bloquear efetivamente os portadores de carga escuros, permitindo seletivamente a passagem dos portadores fotogerados. Esse mecanismo reduz significativamente o ruído excessivo causado pela ionização por impacto de portadores, possibilitando que o fotodetector alcance a detecção de sinais ópticos com alta sensibilidade e nível de ruído extremamente baixo.
Em seguida, para esclarecer o mecanismo por trás do efeito de avalanche induzido pelo campo elétrico fraco, os pesquisadores avaliaram inicialmente a compatibilidade das funções de trabalho inerentes de vários metais com o WSe₂. Uma série de dispositivos metal-semicondutor-metal (MSM) com diferentes eletrodos metálicos foi fabricada e os testes relevantes foram realizados. Além disso, ao reduzir a dispersão de portadores antes do início da avalanche, a aleatoriedade da ionização por impacto pode ser mitigada, reduzindo assim o ruído. Portanto, testes relevantes foram conduzidos. Para demonstrar ainda mais a superioridade do APD Pt/WSe₂/Ni em termos de características de resposta temporal, os pesquisadores avaliaram a largura de banda de -3 dB do dispositivo sob diferentes valores de ganho fotoelétrico.
Os resultados experimentais mostram que o detector Pt/WSe₂/Ni apresenta uma potência equivalente de ruído (NEP) extremamente baixa à temperatura ambiente, de apenas 8,07 fW/√Hz. Isso significa que o detector pode identificar sinais ópticos extremamente fracos. Além disso, este dispositivo opera de forma estável a uma frequência de modulação de 20 kHz com um alto ganho de 5×10⁵, resolvendo com sucesso o gargalo técnico dos detectores fotovoltaicos tradicionais, que têm dificuldade em equilibrar alto ganho e largura de banda. Espera-se que essa característica proporcione vantagens significativas em aplicações que exigem alto ganho e baixo ruído.
Esta pesquisa demonstra o papel crucial da engenharia de materiais e da otimização de interfaces na melhoria do desempenho defotodetectoresAtravés de um design engenhoso de eletrodos e materiais bidimensionais, foi alcançado um efeito de blindagem de portadores escuros, reduzindo significativamente a interferência de ruído e melhorando ainda mais a eficiência de detecção.
O desempenho deste detector não se reflete apenas nas características fotoelétricas, mas também apresenta amplas perspectivas de aplicação. Com seu bloqueio eficaz da corrente escura à temperatura ambiente e absorção eficiente de portadores fotogerados, este detector é particularmente adequado para a detecção de sinais luminosos fracos em áreas como monitoramento ambiental, observação astronômica e comunicação óptica. Esta conquista da pesquisa não só fornece novas ideias para o desenvolvimento de fotodetectores de materiais de baixa dimensionalidade, como também oferece novas referências para a futura pesquisa e desenvolvimento de dispositivos optoeletrônicos de alto desempenho e baixo consumo de energia.
Data da publicação: 18/06/2025