Niedrigschwelliges InfrarotLawinenphotodetektor
Der Infrarot-Lawinenphotodetektor (APD-Fotodetektor) ist eine Klasse vonphotoelektrische HalbleiterbauelementeDiese erzeugen durch den Kollisionsionisationseffekt eine hohe Verstärkung, um die Detektion von wenigen oder sogar einzelnen Photonen zu ermöglichen. Bei herkömmlichen APD-Photodetektorstrukturen führt der nicht im Gleichgewicht befindliche Ladungsträgerstreuprozess jedoch zu Energieverlusten, sodass die Lawinenschwellenspannung üblicherweise 50–200 V erreichen muss. Dies stellt höhere Anforderungen an die Ansteuerspannung und das Design der Ausleseschaltung des Geräts, erhöht die Kosten und schränkt die Anwendungsmöglichkeiten ein.
Kürzlich wurde in China eine neue Struktur für einen Avalanche-Nahinfrarotdetektor mit niedriger Avalanche-Schwellenspannung und hoher Empfindlichkeit vorgeschlagen. Der Avalanche-Photodetektor basiert auf der selbstdotierenden Homojunction der Atomlage und behebt die durch Grenzflächendefekte induzierte Streuung, die bei Heterojunctions unvermeidbar ist. Gleichzeitig wird das durch die Translationssymmetrie-Brechung induzierte starke lokale elektrische Spitzenfeld genutzt, um die Coulomb-Wechselwirkung zwischen Ladungsträgern zu verstärken, die vom Off-Plane-Phononenmodus dominierte Streuung zu unterdrücken und eine hohe Verdopplungseffizienz von Nichtgleichgewichtsladungsträgern zu erreichen. Bei Raumtemperatur liegt die Schwellenenergie nahe der theoretischen Grenze Eg (Eg ist die Bandlücke des Halbleiters) und die Detektionsempfindlichkeit des Infrarot-Avalanche-Detektors liegt bei bis zu 10.000 Photonen.
Diese Studie basiert auf einer atomlagenselbstdotierten Wolframdiselenid-Homojunction (WSe₂) (zweidimensionales Übergangsmetallchalkogenid, TMD) als Verstärkungsmedium für Ladungsträgerlawinen. Die räumliche Translationssymmetrie wird durch die Entwicklung einer topografischen Stufenmutation erreicht, die ein starkes lokales elektrisches „Spike“-Feld an der mutierten Homojunction-Grenzfläche erzeugt.
Darüber hinaus kann die atomare Dicke den vom Phononenmodus dominierten Streumechanismus unterdrücken und den Beschleunigungs- und Vervielfachungsprozess von Nichtgleichgewichtsträgern mit sehr geringen Verlusten realisieren. Dadurch nähert sich die Lawinenschwellenenergie bei Raumtemperatur der theoretischen Grenze, d. h. der Bandlücke Eg des Halbleitermaterials. Die Lawinenschwellenspannung wurde von 50 V auf 1,6 V reduziert, sodass die Forscher ausgereifte digitale Niederspannungsschaltungen zur Ansteuerung der Lawine verwenden konnten.Fotodetektorsowie Treiberdioden und -transistoren. Diese Studie realisiert die effiziente Umwandlung und Nutzung von nicht im Gleichgewicht befindlicher Trägerenergie durch die Entwicklung eines Lawinenmultiplikationseffekts mit niedriger Schwelle, was eine neue Perspektive für die Entwicklung der nächsten Generation hochempfindlicher Lawineninfrarot-Erkennungstechnologie mit niedriger Schwelle und hoher Verstärkung bietet.
Veröffentlichungszeit: 16. April 2025