MXene-GaN van der Waals metal-halvlederforbindelser til højtydende fotodetektion

Høje niveauer af mørk strøm og støj har plaget metal-halvleder-metal (MSM) fotodetektorer i årevis. For nylig, videnskabsmænd i Kina viste, at ved at erstatte konventionelle metaller med MXene, mørkestrømmen og støjen fra MSM multiple kvantebrøndfotodetektorer kan forbedres væsentligt.

Udbredelsen af ​​Internet of Things (IoT) har vakt intens interesse for fotodetektorer (PD), da de er meget udbredt i sansning, opdagelse, datatransport og behandling. Det kommende 5G-aktiverede IoT (5G-IoT) vil kræve nye ydeevnekriterier såsom massiv tilslutning, ultralav latenstid og ultra-pålidelighed for et stort antal IoT-enheder. For at imødekomme disse krav, metal-halvleder-metal (MSM) fotodetektorer har fået meget opmærksomhed for deres høje responshastighed, enkel fremstillingsproces og mulighed for integration med field effect transistor (FET) teknologi.

Imidlertid, den konventionelle fremstillingsproces vil inducere kemisk uorden og defekttilstande ved metal-halvledergrænseflader, fører til betydelig mørk strøm og støj. Derudover uigennemsigtige metaller er sædvanligvis placeret oven på det aktive lysabsorberende område, som vil reflektere en del af det indfaldende lys og dermed reducere responsiviteten af ​​MSM fotodetektorer.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og anvendelse , et team af videnskabsmænd ledet af professor Jiang Wu fra Institute of Fundamental and Frontier Sciences, University of Electronic Science and Technology i Kina har demonstreret en højtydende MXene-GaN-MXene-baseret fotodetektor med flere kvantebrønde forberedt på mønstret safirsubstrat ved let dråbestøbning.

MXene, en ny type todimensionelle (2D) materialer opdaget i 2011, har mange charmerende ejendomme, såsom metallisk ledningsevne, mekanisk fleksibilitet, hydrofili, god transmittans og kemisk stabilitet, som gør det muligt at behandle MXene i opløsning ved lave temperaturer og under omgivende forhold. Derudover den bredt indstillelige arbejdsfunktion gør MXene til en god kandidat til ohmske eller Schottky-kontakter med forskellige halvledermaterialer. Vigtigere, 2D-materialer består af kovalent bundne atomlag i planet, der interagerer svagt med hinanden i retning uden for planet. Ved aflejring på bulk halvledermaterialer, MXene-halvleder van der Waals junctions dannet ved grænsefladen er fri for kemisk forstyrrelse og har færre defekte tilstande, hvilket kunne undgå Fermi-niveau-pinningseffekten og reducere de omvendte tunnelstrømme.

Den multiple kvantebrønds fotodetektor foreslået af Jiang et al. blev dyrket på det mønstrede safirsubstrat, som kan fremme epitaxial lateral overgrowth (ELOG) mode og følgelig reducere defekttætheden i GaN epilag, og MXene blev brugt til at erstatte de konventionelle metaller, Au/Cr. Den MXene-GaN-MXene-baserede fotodetektor med flere kvantebrønde viste signifikant forbedret responsivitet, mørk strøm og støj i det blågrønne lysspektrum sammenlignet med den konventionelle modpart, hvilket gør det til en potentiel kandidat til optisk detektion og kommunikation under vand. Forbedringerne blev tilskrevet de lav-defekte MXene-GaN van der Waals-grænseflader. Mere interessant, takket være MXene-GaN van der Waals-krydset af høj kvalitet, som kan undertrykke den mørke strøm og støj og dermed skelne mindre rumlig variation af fotostrømmen i størrelsesordenen nanoampere, den lokaliserede lysfokusering og forstærkning af det mønstrede safirsubstrat blev observeret.