Fotorivelatore a valanga a infrarossi a bassa soglia

Soglia termica bassafotorivelatore di valanghe

Il fotorivelatore a valanga a infrarossi (Fotorivelatore APD) è una classe didispositivi fotoelettrici a semiconduttoreche producono un elevato guadagno attraverso l'effetto di ionizzazione da collisione, in modo da raggiungere la capacità di rilevamento di pochi fotoni o persino di un singolo fotone. Tuttavia, nelle strutture convenzionali dei fotorivelatori APD, il processo di scattering dei portatori non in equilibrio porta a una perdita di energia, per cui la tensione di soglia di valanga deve solitamente raggiungere i 50-200 V. Ciò impone requisiti più elevati alla tensione di pilotaggio del dispositivo e alla progettazione del circuito di lettura, aumentando i costi e limitando le applicazioni più ampie.

Recentemente, la ricerca cinese ha proposto una nuova struttura di fotorivelatore a valanga nel vicino infrarosso con bassa tensione di soglia di valanga e alta sensibilità. Basato sull'omogenea auto-drogante a strati atomici, il fotorivelatore a valanga risolve il problema della diffusione dannosa indotta dagli stati di difetto dell'interfaccia, inevitabile nelle eterogiunzioni. Allo stesso tempo, il forte campo elettrico locale "di picco" indotto dalla rottura della simmetria traslazionale viene utilizzato per migliorare l'interazione di Coulomb tra i portatori, sopprimere la diffusione dominata dal modo fononico fuori piano e ottenere un'elevata efficienza di raddoppio dei portatori non in equilibrio. A temperatura ambiente, l'energia di soglia è vicina al limite teorico Eg (Eg è il band gap del semiconduttore) e la sensibilità di rilevamento del fotorivelatore a valanga a infrarossi raggiunge il livello di 10000 fotoni.

Questo studio si basa su una giunzione omogenea di diseleniuro di tungsteno (WSe₂) autodrogata a livello di strato atomico (calcogenuro di metallo di transizione bidimensionale, TMD) come mezzo di guadagno per le valanghe di portatori di carica. La rottura della simmetria traslazionale spaziale viene ottenuta progettando una mutazione a gradino topografico per indurre un forte campo elettrico locale a "picco" all'interfaccia della giunzione omogenea mutante.

Inoltre, lo spessore atomico può sopprimere il meccanismo di scattering dominato dal modo fononico e realizzare il processo di accelerazione e moltiplicazione dei portatori fuori equilibrio con perdite molto basse. Ciò porta l'energia di soglia della valanga a temperatura ambiente vicino al limite teorico, ovvero il bandgap del materiale semiconduttore Eg. La tensione di soglia della valanga è stata ridotta da 50 V a 1,6 V, consentendo ai ricercatori di utilizzare circuiti digitali a bassa tensione consolidati per pilotare la valangafotorivelatorenonché diodi e transistor di pilotaggio. Questo studio realizza la conversione e l'utilizzo efficienti dell'energia dei portatori non in equilibrio attraverso la progettazione di un effetto di moltiplicazione a valanga a bassa soglia, che fornisce una nuova prospettiva per lo sviluppo della prossima generazione di tecnologia di rilevamento a infrarossi a valanga ad alta sensibilità, bassa soglia e alto guadagno.