Nye van der Waals heterostrukturer til højeffektiv infrarød fotodetektion

Professorer Hu Weida og Peng Hailin, to af forskere ved Shanghai Institute of Technical Physics og Peking University, foreslog for nylig momentum-matching og båndjustering van der Waals heterostrukturer for at løse den lave QE af 2D-materialer infrarøde fotodetektorer. Resultaterne blev offentliggjort i Science Advances , med titlen "Momentum-matching og band-alignment van der Waals heterostrukturer til højeffektiv infrarød fotodetektion."

Infrarøde fotodetektorer med høj kvanteeffektivitet (QE) kan bruges til ultrasvag lysdetektion og kvantekommunikation. QE er dog i høj grad begrænset af absorptionsevne og defekt-rekombination af infrarøde absorbere samt indsamling af den fotogenererede bærer, hvilket i høj grad hæmmer fremstillingen og videreudviklingen af ​​infrarøde fotodetektorer med en høj QE. Som følge heraf foretrækkes altid halvledere med direkte båndgab med en høj fotoelektrisk konverteringseffektivitet. Imidlertid begrænser teknologiske ulemper såsom dyre vækstprocesser, kryogene arbejdsforhold og giftige elementer stadig det udvidede anvendelsesområde for konventionelle materialer. Derudover er det stadig udfordrende at opfylde kravene til både gittertilpasning og båndjustering i heterojunction-byggeblokke baseret på konventionelle bulkmaterialer.

Todimensionelle (2D) lagdelte materialer giver nye muligheder for infrarød detektionsteknologi, fordi de har naturligt passiverede overflader og kan stables i van der Waals (vdW) heterostrukturer uden yderligere overvejelse af gittertilpasning. Imidlertid lider 2D vdW fotodetektorer alvorligt af lav QE på grund af deres atomare tynde natur. Adskillige strategier, herunder optiske bølgeledere, optiske resonatorer og overfladeplasmoner, er blevet demonstreret for at forbedre QE i 2D-fotodetektorer, men på bekostning af enhedsintegrationsniveau og smal spektral respons.

De momentum-matchende vdW-heterostrukturer kan understøtte mellemlagsovergange, der er direkte i k-rum, uanset direkte eller indirekte båndgab-halvledere, hvor valensbåndmaksimum (VBM) for en halvleder og ledningsbåndminimum (CBM) for en anden er centreret ved k-rummet i Brillouin-zonen. "Derfor kan de momentum-matchende vdW-heterostrukturer ikke kun forbedre genereringshastigheden af ​​fotobærere, men også potentielt udvide den spektrale respons," sagde Hu.

Det kan også reducere grænsefladerekombinationen med lav gitter-mismatchende spredning og fejlfrie urenheder. For infrarød fotodetektion er rationelle båndjusteringer meget vigtige for at opnå en høj QE ved at optimere genereringen, undertrykke rekombinationen og forbedre samlingen af ​​fotobærere. Type II båndjusteringsstrukturen uden potentielle barrierer for elektroner og huller er ønskelig.

Valensbåndets maksimum for 2D sort fosfor (BP) og ledningsbåndets minimum for 2D Bi₂ O₂ Se er placeret i samme Г-punkt, som vist i figur 1a. Bærerne ved grænsefladen kan stimuleres ind i ledningsbåndene af BP og Bi₂ O₂ Se, hvilket i høj grad forbedrer overgangen og genereringen af ​​fotobærerne. De fotogenererede elektroner og huller ser ingen potentielle barrierer og kan opsamles effektivt i type II BP/Bi₂ O₂ Se vdW heterojunction, vist i figur 1b. I sidste ende vil rumtemperaturen QE (84 % ved 1,3 μm og 76,5 % ved 2 μm) af BP/Bi₂ O₂ Der blev opnået en enhed, som er højere end de fleste rapporterede 2D-baserede enheder og endda sammenlignelige med kommercielt avancerede infrarøde fotodetektorer ved nul bias som vist i figur 1C. Denne høje QE er forårsaget af den høje absorptionskoefficient, fri-barriere båndtransport og detektionsfri grænseflader. Derudover er polarisationsforholdet af BP/Bi₂ O₂ Se enheden ved 2 μm er op til 17, som vist i figur 1d. Dette er også bedre end de fleste fotodetektorer baseret på polariserede materialer eller antennestøttede strukturer i det kortbølgede infrarøde område. + Udforsk yderligere

Forskere skaber unipolære barriere fotodetektorer baseret på 2D lagdelte materialer