Forskere skaber sorte arsen-synlige infrarøde fotodetektorer

I de senere år har den ekstraordinære struktur og fascinerende elektriske og optiske egenskaber af todimensionelle (2D) lagdelte krystaller tiltrukket sig udbredt opmærksomhed. Eksempler på sådanne krystaller omfatter grafen, sort phosphor (BP) og overgangsmetal-dichalcogenider (TMD'er).

Med deres atomare tykkelse, høje bærermobilitet og justerbare båndgab holder disse materialer et enormt løfte i forskellige applikationer og fortsætter med at tiltrække betydelig interesse i det videnskabelige samfund. Grafen, en krystallinsk struktur af tætpakkede carbonatomer forbundet med sp ² hybridisering, der danner et enkeltlags todimensionelt honeycomb-gitter, kan prale med en elektronmobilitet så høj som 2×10 ⁵ cm ² ·V ⁻¹ ·s ⁻¹ .

Grafens kortlivede fotogenererede bærere, som tilskrives dets nul båndgab og ekstremt lave lysabsorption (2,3 %), hindrer imidlertid dens enhedsapplikationer. Overgangsmetal dichalcogenider har brede båndgab og relativt lavere bærermobilitet (<200 cm ² ·V ⁻¹ ·s ⁻¹ ), hvilket gør dem uegnede til applikationer inden for optoelektronisk detektion.

På grund af dets unikke egenskaber fremstår sort fosfor som et meget lovende materiale til infrarøde detektorer. Det udviser især et direkte båndgab, der spænder fra 0,34 eV i bulk til 2,1 eV i monolagsform. Baseret på tidligere undersøgelser har sort fosfor desuden en høj bærermobilitet på ca. 1.000 cm ² ·V ⁻¹ ·s ⁻¹ og et stort tænd/sluk-forhold på 105. Disse egenskaber øger yderligere potentialet for sort fosfor som det foretrukne materiale til infrarøde detektionsapplikationer.

Desværre lider sort fosfor af dårlig stabilitet og nedbrydes hurtigt i atmosfæren ved stuetemperatur, hvilket begrænser dets praktiske anvendelser. Sort arsen (B-As), som en homolog af fosfor, deler en lignende krystalstruktur med BP og forventes at udvise fremragende elektrisk og optisk ydeevne med forventet høj bærermobilitet (op til 10 ³ cm ² ·V ⁻¹ ·s ⁻¹ ).

Som tidligere forskning har vist, er båndgabet af B-As meget afhængig af materialetykkelsen. Specifikt varierer det indirekte båndgab af enkeltlags B-As fra ca. 1-1,5 eV, mens bulk B-As er en direkte båndgap-halvleder med et båndgab på ca. 0,3 eV.

Disse resultater understreger vigtigheden af ​​at overveje lagtykkelse ved undersøgelse af de elektroniske og optiske egenskaber af B-A'er, hvilket viser potentialet af dette materiale i forskellige applikationer.

Nu har en forskergruppe designet en dual-band fotodetektor baseret på sort fosfor til synlige og infrarøde bølgelængder. Ved stuetemperatur opdagede teamet gennem enhedens overførselskarakteristika og spændingsstrømkarakteristika, at den forberedte enhed er en n-type depletion-mode FET og udviser god ohmsk kontakt.

Forskningen er publiceret i tidsskriftet Advanced Devices &Instrumentation .

Når energien af ​​indfaldende laserfotoner er større end båndgabet af flere lag af B-As (hv> F.eks.), kan foto-exciterede elektron-hul-par genereres. Når B-As-enheden er i forspændingstilstand, adskiller det påførte elektriske felt effektivt de fotogenererede elektron-hul-par ved grænsefladen og injicerer dem i elektroden, hvorved der genereres en fotostrøm. Holdets forskningsresultater indikerer, at den fotoledende effekt er B-As-enhedens vigtigste lysresponsmekanisme i det synlige lys og infrarøde bånd.

Under eksperimentet fandt de et svagt signal ved nul forspænding, som de analyserede for at skyldes den ujævne belysning af laserpletten på kanalen, der introducerede fototermisk strøm. Dette kan også tilskrives Dember-effekten forårsaget af de forskellige diffusionskoefficienter for elektroner og huller, hvilket fører til det indbyggede elektriske felt.

Forskere leverede den mest intuitive og effektive måde at vise området, hvor fotostrøm genereres, gennem scanning af fotostrømkort, brugt til at validere deres forklaring. Et svagt fotostrømsignal udsendes fra enheden ved 0 V bias, hvilket bekræfter deres tidligere forklaring. Forøgelse af forspændingen med 0,01V i samme position af kanalen afslører en betydelig udvidelse af det lysfølsomme område.

Denne undersøgelse har med succes udviklet en B-As fotodetektor, der er i stand til at reagere hurtigt ved stuetemperatur, hvilket viser exceptionelle dual-band lysresponsegenskaber. Detektoren udviste en maksimal fotoresponsivitet på 387,3 mA·W ⁻¹ ved en nær-infrarød bølgelængde på 825 nm uden behov for en ekstern bias og opnåede en høj detektivitet på 1,37×10 ⁸ Jones.

Responsmekanismen på tværs af det synlige til infrarøde spektrum tilskrives primært den fotoledende effekt. Disse resultater bekræfter ikke kun den overlegne fotoelektriske ydeevne af B-As som en halvleder med smal båndgab, men viser også dens ydeevne, der kan sammenlignes med sort fosfor (BP), hvilket indikerer et betydeligt potentiale for anvendelse i højhastigheds optoelektroniske enheder. Vigtigst er det, at dual-band detektionsegenskaberne, der er demonstreret i denne forskning, lægger et solidt grundlag for den fremtidige udvikling af stuetemperatur, bredbånds fotodetektionsteknologier.

Flere oplysninger: Xuyang Lv et al., sort-arsen-baseret synlig-nær-infrarød fotodetektor, Avancerede enheder og instrumentering (2023). DOI:10.34133/adi.0012

Leveret af Advanced Devices &Instrumentation