Infrarossi a bassa sogliafotodetector per valanghe
Il fotodiodo a infrarossi per valanghe (Fotodiodo APD) è una classe didispositivi fotoelettrici a semiconduttoreche producono un elevato guadagno attraverso l'effetto di ionizzazione per collisione, in modo da raggiungere la capacità di rivelazione di pochi fotoni o persino di singoli fotoni. Tuttavia, nelle strutture fotodetective APD convenzionali, il processo di diffusione dei portatori in condizioni di non equilibrio porta a una perdita di energia, tale che la tensione di soglia a valanga deve solitamente raggiungere 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 l'utilizzo in applicazioni più ampie.
Recentemente, una ricerca cinese ha proposto una nuova struttura di rivelatore a valanga nel vicino infrarosso con bassa tensione di soglia a valanga e alta sensibilità. Basato sull'omogiunzione autodrogante dello strato atomico, il fotorivelatore a valanga risolve il problema della diffusione dannosa indotta dallo stato di difetto di interfaccia, inevitabile nelle eterogiunzioni. Allo stesso tempo, il forte campo elettrico locale di "picco" indotto dalla rottura della simmetria di traslazione viene utilizzato per migliorare l'interazione coulombiana tra i portatori, sopprimere la diffusione dominata dai modi fononici fuori piano e raggiungere un'elevata efficienza di raddoppio dei portatori non in equilibrio. A temperatura ambiente, l'energia di soglia è prossima al limite teorico Eg (Eg è il band gap del semiconduttore) e la sensibilità di rilevamento del rivelatore a valanga nell'infrarosso arriva fino a 10.000 fotoni.
Questo studio si basa sull'omogiunzione di diseleniuro di tungsteno (WSe₂) auto-drogata a strato di atomo (calcogenuro di metallo di transizione bidimensionale, TMD) come mezzo di guadagno per le valanghe di portatori di carica. La rottura della simmetria traslazionale spaziale è ottenuta progettando una mutazione a gradino topografico per indurre un forte campo elettrico locale "a picco" all'interfaccia dell'omogiunzione mutante.
Inoltre, lo spessore atomico può sopprimere il meccanismo di diffusione dominato dalla modalità fononica e realizzare il processo di accelerazione e moltiplicazione del portante di non equilibrio con perdite molto basse. Questo porta l'energia di soglia della valanga a temperatura ambiente vicina 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 maturi per pilotare la valanga.fotodiodoOltre a pilotare diodi e transistor. Questo studio realizza l'efficiente conversione e utilizzo dell'energia dei portatori di non equilibrio attraverso la progettazione di un effetto moltiplicatore a valanga a bassa soglia, che offre una nuova prospettiva per lo sviluppo della prossima generazione di tecnologie di rilevamento a infrarossi a valanga ad alta sensibilità, bassa soglia e alto guadagno.
Data di pubblicazione: 16 aprile 2025