Bipolare bidimensionalefotodetector per valanghe
Il fotodiodo a valanga bidimensionale bipolare (Fotorilevatore APD) raggiunge un rumore ultra-basso e un rilevamento ad alta sensibilità
La rilevazione ad alta sensibilità di pochi fotoni o addirittura di singoli fotoni offre importanti prospettive applicative in campi quali l'imaging a luce debole, il telerilevamento e la telemetria, e la comunicazione quantistica. Tra questi, il fotodiodo a valanga (APD) è diventato un'importante direzione nella ricerca sui dispositivi optoelettronici grazie alle sue caratteristiche di dimensioni ridotte, elevata efficienza e facile integrazione. Il rapporto segnale/rumore (SNR) è un indicatore importante del fotodiodo APD, che richiede un guadagno elevato e una bassa corrente di buio. La ricerca sulle eterogiunzioni di van der Waals di materiali bidimensionali (2D) mostra ampie prospettive nello sviluppo di APD ad alte prestazioni. Ricercatori cinesi hanno selezionato il materiale semiconduttore bipolare bidimensionale WSe₂ come materiale fotosensibile e hanno preparato meticolosamente un fotodiodo APD con una struttura Pt/WSe₂/Ni che presenta la migliore funzione di lavoro di adattamento, al fine di risolvere il problema di guadagno e rumore intrinseco del fotodiodo APD tradizionale.
Il team di ricerca ha proposto un fotorilevatore a valanga basato sulla struttura Pt/WSe₂/Ni, che ha raggiunto un'elevata sensibilità di rilevamento di segnali luminosi estremamente deboli a livello di fW a temperatura ambiente. Hanno selezionato il materiale semiconduttore bidimensionale WSe₂, che presenta eccellenti proprietà elettriche, e hanno combinato materiali elettrodici in Pt e Ni per sviluppare con successo un nuovo tipo di fotorilevatore a valanga. Ottimizzando con precisione l'abbinamento della funzione di lavoro tra Pt, WSe₂ e Ni, è stato progettato un meccanismo di trasporto in grado di bloccare efficacemente i portatori oscuri, consentendo al contempo il passaggio selettivo dei portatori fotogenerati. Questo meccanismo riduce significativamente il rumore eccessivo causato dalla ionizzazione per impatto dei portatori, consentendo al fotorilevatore di ottenere un'elevata sensibilità di rilevamento del segnale ottico a un livello di rumore estremamente basso.
Quindi, al fine di chiarire il meccanismo alla base dell'effetto valanga indotto dal debole campo elettrico, i ricercatori hanno inizialmente valutato la compatibilità delle funzioni di lavoro intrinseche di vari metalli con il WSe₂. Sono stati fabbricati una serie di dispositivi metallo-semiconduttore-metallo (MSM) con diversi elettrodi metallici e sono stati condotti test pertinenti su di essi. Inoltre, riducendo la diffusione dei portatori prima dell'inizio dell'effetto valanga, è possibile mitigare la casualità della ionizzazione da impatto, riducendo così il rumore. Pertanto, sono stati condotti test pertinenti. Per dimostrare ulteriormente la superiorità dell'APD Pt/WSe₂/Ni in termini di caratteristiche di risposta temporale, i ricercatori hanno ulteriormente valutato la larghezza di banda di -3 dB del dispositivo a diversi valori di guadagno fotoelettrico.
I risultati sperimentali mostrano che il rivelatore Pt/WSe₂/Ni presenta una potenza equivalente di rumore (NEP) estremamente bassa a temperatura ambiente, pari a soli 8,07 fW/√Hz. Ciò significa che il rivelatore può identificare segnali ottici estremamente deboli. Inoltre, questo dispositivo può funzionare stabilmente a una frequenza di modulazione di 20 kHz con un guadagno elevato di 5×10⁵, risolvendo con successo il collo di bottiglia tecnico dei rivelatori fotovoltaici tradizionali, che presentano difficoltà nel bilanciare guadagno e larghezza di banda elevati. Si prevede che questa caratteristica gli offrirà vantaggi significativi nelle applicazioni che richiedono guadagno elevato e basso rumore.
Questa ricerca dimostra il ruolo cruciale dell'ingegneria dei materiali e dell'ottimizzazione dell'interfaccia nel migliorare le prestazioni difotorilevatoriGrazie all'ingegnosa progettazione di elettrodi e materiali bidimensionali, è stato ottenuto un effetto schermante dei portatori oscuri, riducendo significativamente le interferenze di rumore e migliorando ulteriormente l'efficienza di rilevamento.
Le prestazioni di questo rivelatore non si riflettono solo nelle caratteristiche fotoelettriche, ma offrono anche ampie prospettive applicative. Grazie all'efficace blocco della corrente di buio a temperatura ambiente e all'efficiente assorbimento dei portatori fotogenerati, questo rivelatore è particolarmente adatto per la rilevazione di segnali luminosi deboli in campi come il monitoraggio ambientale, l'osservazione astronomica e le comunicazioni ottiche. Questo risultato di ricerca non solo fornisce nuove idee per lo sviluppo di fotorivelatori a bassa dimensionalità, ma offre anche nuovi riferimenti per la futura ricerca e sviluppo di dispositivi optoelettronici ad alte prestazioni e basso consumo.
Data di pubblicazione: 18-06-2025