Infravermelho de baixo limiarfotodetector de avalanche
O fotodetector de avalanche infravermelho (Fotodetector APD) é uma classe dedispositivos fotoelétricos semicondutoresque produzem alto ganho através do efeito de ionização por colisão, permitindo a detecção de poucos fótons ou até mesmo de um único fóton. No entanto, em estruturas de fotodetectores APD convencionais, o processo de espalhamento de portadores fora do equilíbrio leva à perda de energia, de modo que a tensão de limiar de avalanche geralmente precisa atingir 50-200 V. Isso impõe maiores exigências à tensão de acionamento do dispositivo e ao projeto do circuito de leitura, aumentando os custos e limitando sua aplicação em larga escala.
Recentemente, uma pesquisa chinesa propôs uma nova estrutura de detector de infravermelho próximo por avalanche com baixa tensão de limiar de avalanche e alta sensibilidade. Baseado na homojunção auto-dopada de camada atômica, o fotodetector de avalanche resolve o problema da dispersão prejudicial induzida por defeitos na interface, inevitável em heterojunções. Ao mesmo tempo, o forte campo elétrico local de "pico" induzido pela quebra da simetria translacional é utilizado para aumentar a interação coulombiana entre os portadores, suprimir a dispersão dominada pelo modo fonônico fora do plano e alcançar uma alta eficiência de duplicação de portadores fora do equilíbrio. À temperatura ambiente, a energia de limiar se aproxima do limite teórico Eg (onde Eg é a energia de banda proibida do semicondutor) e a sensibilidade de detecção do detector de avalanche no infravermelho chega ao nível de 10.000 fótons.
Este estudo baseia-se em uma homojunção de disseleneto de tungstênio (WSe₂) autodopada em nível atômico (calcogeneto de metal de transição bidimensional, TMD) como meio de ganho para avalanches de portadores de carga. A quebra da simetria translacional espacial é obtida através do projeto de uma mutação de degrau topográfico para induzir um forte campo elétrico local em forma de "pico" na interface da homojunção mutante.
Além disso, a espessura atômica pode suprimir o mecanismo de dispersão dominado pelo modo fonônico e realizar o processo de aceleração e multiplicação de portadores fora do equilíbrio com perdas muito baixas. Isso aproxima a energia de limiar de avalanche à temperatura ambiente do limite teórico, ou seja, da energia de banda proibida (Eg) do material semicondutor. A tensão de limiar de avalanche foi reduzida de 50 V para 1,6 V, permitindo que os pesquisadores utilizassem circuitos digitais de baixa tensão já consolidados para acionar a avalanche.fotodetectorbem como diodos e transistores de acionamento. Este estudo realiza a conversão e utilização eficientes da energia de portadores fora do equilíbrio por meio do projeto de um efeito de multiplicação por avalanche de baixo limiar, o que proporciona uma nova perspectiva para o desenvolvimento da próxima geração de tecnologia de detecção infravermelha por avalanche de alta sensibilidade, baixo limiar e alto ganho.
Data da publicação: 16 de abril de 2025