Bipolar iki boyutlu çığ fotodetektörü

Bipolar iki boyutluçığ fotodetektörü

Bipolar iki boyutlu çığ fotodetektörü (APD fotodedektörü) ultra düşük gürültü ve yüksek hassasiyetli algılama sağlar

Az sayıda fotonun veya tek fotonun yüksek hassasiyetle tespiti, zayıf ışık görüntüleme, uzaktan algılama ve telemetri ve kuantum iletişimi gibi alanlarda önemli uygulama beklentilerine sahiptir. Bunlar arasında çığ fotodetektörü (APD), küçük boyutu, yüksek verimliliği ve kolay entegrasyonu nedeniyle optoelektronik cihaz araştırmaları alanında önemli bir yön haline gelmiştir. Sinyal-gürültü oranı (SNR), yüksek kazanç ve düşük karanlık akımı gerektiren APD fotodedektörü için önemli bir göstergedir. İki boyutlu (2D) malzemelerin van der Waals heterojunksiyonları üzerine yapılan araştırmalar, yüksek performanslı APD'lerin geliştirilmesinde geniş beklentiler göstermektedir. Çinli araştırmacılar, ışığa duyarlı malzeme olarak bipolar iki boyutlu yarı iletken malzeme WSe₂'yi seçtiler ve geleneksel APD fotodedektörün içsel kazanç gürültüsü sorununu çözmek amacıyla en iyi eşleşen işleve sahip Pt/WSe₂/Ni yapısına sahip bir APD fotodetektörü özenle hazırladılar.

Araştırma ekibi, oda sıcaklığında fW seviyesinde son derece zayıf ışık sinyallerinin oldukça hassas bir şekilde algılanmasını sağlayan Pt/WSe₂/Ni yapısına dayalı bir çığ fotodedektörü önerdi. Mükemmel elektriksel özelliklere sahip iki boyutlu yarı iletken malzeme WSe₂'yi seçtiler ve Pt ve Ni elektrot malzemelerini birleştirerek yeni bir çığ fotodedektörü türünü başarıyla geliştirdiler. Pt, WSe₂ ve Ni arasındaki işlev eşleşmesini hassas bir şekilde optimize ederek, karanlık taşıyıcıları etkili bir şekilde bloke ederken, fotojene edilmiş taşıyıcıların seçici olarak geçmesine izin veren bir taşıma mekanizması tasarlandı. Bu mekanizma, taşıyıcı darbe iyonizasyonunun neden olduğu aşırı gürültüyü önemli ölçüde azaltarak, fotodetektörün son derece düşük bir gürültü seviyesinde oldukça hassas optik sinyal algılaması elde etmesini sağladı.

Ardından, zayıf elektrik alanının neden olduğu çığ etkisinin arkasındaki mekanizmayı açıklığa kavuşturmak için araştırmacılar, öncelikle çeşitli metallerin içsel iş fonksiyonlarının WSe₂ ile uyumluluğunu değerlendirdiler. Farklı metal elektrotlara sahip bir dizi metal-yarı iletken-metal (MSM) cihaz üretildi ve bunlar üzerinde ilgili testler gerçekleştirildi. Ayrıca, çığ başlamadan önce taşıyıcı saçılmasını azaltarak, çarpma iyonizasyonunun rastgeleliği azaltılabilir ve böylece gürültü azaltılabilir. Bu nedenle ilgili testler gerçekleştirildi. Pt/WSe₂/Ni APD'nin zaman tepkisi özellikleri açısından üstünlüğünü daha da göstermek için araştırmacılar, cihazın -3 dB bant genişliğini farklı fotoelektrik kazanç değerleri altında daha da değerlendirdiler.

Deneysel sonuçlar, Pt/WSe₂/Ni dedektörünün oda sıcaklığında yalnızca 8,07 fW/√Hz olan son derece düşük gürültü eşdeğer gücüne (NEP) sahip olduğunu göstermektedir. Bu, dedektörün son derece zayıf optik sinyalleri tespit edebildiği anlamına gelir. Ayrıca, bu cihaz, 5×10⁵'lik yüksek bir kazançla 20 kHz modülasyon frekansında kararlı bir şekilde çalışarak, yüksek kazanç ve bant genişliğini dengelemenin zor olduğu geleneksel fotovoltaik dedektörlerin teknik darboğazını başarıyla çözebilir. Bu özelliğin, yüksek kazanç ve düşük gürültü gerektiren uygulamalarda dedektöre önemli avantajlar sağlaması beklenmektedir.

Bu araştırma, malzeme mühendisliğinin ve arayüz optimizasyonunun performansını artırmadaki önemli rolünü göstermektedir.fotodedektörlerElektrotların ve iki boyutlu malzemelerin ustaca tasarımı sayesinde, karanlık taşıyıcıların kalkanlama etkisi elde edilmiş, gürültü girişimi önemli ölçüde azaltılmış ve tespit verimliliği daha da artırılmıştır.

Bu dedektörün performansı yalnızca fotoelektrik özelliklerine yansımakla kalmaz, aynı zamanda geniş uygulama olanakları da sunar. Oda sıcaklığında karanlık akımı etkili bir şekilde bloke etmesi ve fotojenlenmiş taşıyıcıları verimli bir şekilde emmesi sayesinde, bu dedektör özellikle çevresel izleme, astronomik gözlem ve optik iletişim gibi alanlarda zayıf ışık sinyallerini algılamak için uygundur. Bu araştırma başarısı, düşük boyutlu malzeme fotodedektörlerinin geliştirilmesi için yeni fikirler sunmanın yanı sıra, yüksek performanslı ve düşük güçlü optoelektronik cihazların gelecekteki araştırma ve geliştirmeleri için de yeni referanslar sunar.