Leistungsstarker selbstangetriebener Infrarot-Fotodetektor

Leistungsstarker SelbstfahrerInfrarot-Fotodetektor

InfrarotFotodetektorzeichnet sich durch hohe Entstörungsfähigkeit, starke Zielerkennungsfähigkeit, Allwetterbetrieb und gute Tarnung aus. Es spielt eine zunehmend wichtige Rolle in Bereichen wie Medizin, Militär, Raumfahrt und Umwelttechnik. Darunter ist das selbstfahrendephotoelektrische ErkennungChips, die ohne externe Stromversorgung autark betrieben werden können, haben aufgrund ihrer einzigartigen Leistung (wie Energieunabhängigkeit, hohe Empfindlichkeit und Stabilität usw.) im Bereich der Infrarot-Detektion große Aufmerksamkeit erregt. Im Gegensatz dazu benötigen herkömmliche photoelektrische Detektionschips, wie beispielsweise Infrarot-Chips auf Silizium- oder Narrowbandgap-Halbleiterbasis, nicht nur zusätzliche Vorspannungen, um die Trennung der photogenerierten Ladungsträger zur Erzeugung von Fotoströmen voranzutreiben, sondern auch zusätzliche Kühlsysteme, um thermisches Rauschen zu reduzieren und die Reaktionsfähigkeit zu verbessern. Daher ist es schwierig geworden, die neuen Konzepte und Anforderungen der nächsten Generation von Infrarot-Detektionschips wie geringen Stromverbrauch, geringe Größe, niedrige Kosten und hohe Leistung zu erfüllen.

Kürzlich haben Forschungsteams aus China und Schweden einen neuartigen selbstangetriebenen photoelektrischen Kurzwellen-Infrarot-(SWIR)-Detektionschip mit pin-Heteroübergang auf Basis von Graphen-Nanoband-(GNR)-Filmen/Aluminiumoxid/Einkristall-Silizium vorgeschlagen. Unter der kombinierten Wirkung des durch die heterogene Schnittstelle ausgelösten optischen Gating-Effekts und des eingebauten elektrischen Felds zeigte der Chip eine ultrahohe Reaktions- und Detektionsleistung bei Null-Vorspannung. Der photoelektrische Detektionschip hat eine Reaktionsrate von bis zu 75,3 A/W im selbstangetriebenen Modus, eine Detektionsrate von 7,5 × 10¹⁴ Jones und eine externe Quanteneffizienz von nahezu 104 %, wodurch die Detektionsleistung des gleichen Typs von Silizium-basierten Chips um rekordverdächtige 7 Größenordnungen verbessert wird. Außerdem erreichen im konventionellen Antriebsmodus Reaktionsrate, Detektionsrate und externe Quanteneffizienz des Chips jeweils bis zu 843 A/W, 10¹⁵ Jones und 105 % – allesamt die höchsten in der aktuellen Forschung gemeldeten Werte. Gleichzeitig demonstrierte diese Forschung auch die praktische Anwendung des photoelektrischen Detektionschips in den Bereichen optische Kommunikation und Infrarotbildgebung und verdeutlichte so sein enormes Anwendungspotenzial.

Um die photoelektrische Leistung des Fotodetektors auf Basis von Graphen-Nanobändern (Al₂O₃) aus monokristallinem Silizium systematisch zu untersuchen, testeten die Forscher dessen statische (Strom-Spannungs-Kurve) und dynamisches Verhalten (Strom-Zeit-Kurve). Um die optischen Reaktionseigenschaften des Graphen-Nanoband-Fotodetektors mit monokristalliner Silizium-Heterostruktur (Al₂O₃) unter verschiedenen Vorspannungen systematisch zu bewerten, maßen die Forscher das dynamische Stromverhalten des Geräts bei 0 V, -1 V, -3 V und -5 V Vorspannung mit einer optischen Leistungsdichte von 8,15 μW/cm². Der Fotostrom steigt mit der Sperrspannung an und zeigt bei allen Vorspannungen eine schnelle Reaktionsgeschwindigkeit.

Schließlich entwickelten die Forscher ein Bildgebungssystem und erzielten erfolgreich eine energieautarke Abbildung von kurzwelligem Infrarot. Das System arbeitet ohne Vorspannung und verbraucht keinerlei Energie. Die Abbildungsfähigkeit des Fotodetektors wurde mithilfe einer schwarzen Maske mit dem Buchstaben-„T“-Muster (siehe Abbildung 1) bewertet.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Forschung erfolgreich energieautarke Fotodetektoren auf Basis von Graphen-Nanobändern hergestellt und eine rekordverdächtig hohe Reaktionsrate erreicht hat. Gleichzeitig demonstrierten die Forscher erfolgreich die optischen Kommunikations- und Bildgebungsfähigkeiten dieserhochempfindlicher Fotodetektor. Diese Forschungsleistung bietet nicht nur einen praktischen Ansatz für die Entwicklung von Graphen-Nanobändern und optoelektronischen Geräten auf Siliziumbasis, sondern demonstriert auch ihre hervorragende Leistung als energieautarke kurzwellige Infrarot-Fotodetektoren.