Infrarot mit niedriger SchwelleLawinenfotodetektor
Der Infrarot-Lawinenfotodetektor (APD-Fotodetektor) ist eine Klasse vonHalbleiter-FotobauelementeDiese Photodetektoren erzeugen durch Stoßionisation eine hohe Verstärkung und ermöglichen so den Nachweis weniger oder sogar einzelner Photonen. In herkömmlichen APD-Photodetektorstrukturen führt die Streuung der Ladungsträger im Nichtgleichgewicht jedoch zu Energieverlusten, sodass die Lawinenschwellenspannung üblicherweise 50–200 V erreichen muss. Dies stellt höhere Anforderungen an die Ansteuerspannung und die Ausleseschaltung, erhöht die Kosten und schränkt die Anwendungsmöglichkeiten ein.
Chinesische Forscher haben kürzlich eine neue Struktur für einen Lawinen-Nah-Infrarot-Detektor mit niedriger Lawinenschwellenspannung und hoher Empfindlichkeit vorgestellt. Basierend auf der selbstdotierten Homojunktion atomarer Schichten behebt der Lawinen-Photodetektor die durch Grenzflächendefekte verursachte Streuung, die bei Heteroübergängen unvermeidbar ist. Gleichzeitig wird das durch die Brechung der Translationssymmetrie hervorgerufene starke lokale elektrische Feld genutzt, um die Coulomb-Wechselwirkung zwischen den Ladungsträgern zu verstärken, die durch Phononenmoden dominierte Streuung außerhalb der Ebene zu unterdrücken und eine hohe Verdopplungseffizienz von Nichtgleichgewichtsladungsträgern zu erzielen. Bei Raumtemperatur liegt die Schwellenenergie nahe am theoretischen Grenzwert Eg (Eg ist die Bandlücke des Halbleiters), und die Nachweisempfindlichkeit des Infrarot-Lawinendetektors erreicht bis zu 10.000 Photonen.
Diese Studie basiert auf atomlagenweise selbstdotiertem Wolframdiselenid (WSe₂) als Homojunktion (zweidimensionales Übergangsmetallchalkogenid, TMD) als Verstärkungsmedium für Ladungsträgerlawinen. Die räumliche Translationssymmetriebrechung wird durch eine gezielte Topographiestufenmutation erreicht, die ein starkes lokales elektrisches Feld („Spitzenfeld“) an der Grenzfläche der mutierten Homojunktion induziert.
Darüber hinaus kann die atomare Dicke den vom Phononenmodus dominierten Streumechanismus unterdrücken und die Beschleunigung und Vervielfachung von Nichtgleichgewichtsträgern mit sehr geringen Verlusten ermöglichen. Dadurch wird die Lawinenschwellenenergie bei Raumtemperatur nahe an den theoretischen Grenzwert, d. h. die Bandlücke Eg des Halbleitermaterials, herangeführt. Die Lawinenschwellenspannung wurde von 50 V auf 1,6 V reduziert, sodass die Forscher ausgereifte digitale Niederspannungsschaltungen zur Ansteuerung der Lawine verwenden können.Fotodetektorsowie Ansteuerdioden und Transistoren. Diese Studie realisiert die effiziente Umwandlung und Nutzung von Nichtgleichgewichts-Ladungsträgerenergie durch die Entwicklung eines Lawinenvervielfachungseffekts mit niedriger Schwellenleistung und eröffnet damit eine neue Perspektive für die Entwicklung der nächsten Generation hochempfindlicher, niedrigschwelliger und hochverstärkender Lawinen-Infrarot-Detektionstechnologien.
Veröffentlichungsdatum: 16. April 2025