Ein hoher Dunkelstrom kann die Leistung von Infrarot-Fotodetektoren, Geräten, die Photonen in Form von Infrarotstrahlung erkennen können, erheblich beeinträchtigen. Viele Jahre lang nutzten die meisten Lösungen zur Blockierung von Dunkelströmen das elektrische Feld im Inneren der Detektoren.
Forscher der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben kürzlich eine alternative Lösung zur Unterdrückung des Dunkelstroms in Fotodetektoren entwickelt, die auf der Verwendung von Van-der-Waals-Heterostrukturen (vdW) basiert. Sie stellten unipolare Barriere-Fotodetektoren im sichtbaren und mittleren Infrarotbereich vor, die aus bandtechnisch hergestellten vdW-Heterostrukturen bestehen.
„Seit Bell Labs die Si-basierte Technologie herstellt PN-Übergang Im Jahr 1935 wurde die Nutzung des eingebauten elektrischen Feldes in der Verarmungsregion zum wichtigsten technischen Weg, um Dunkelströme zu blockieren. Bei herkömmlichen PN-Junction-Infrarot-Fotodetektoren schränken die hohe Shockley-Read-Hall-Rekombination (SRH) und die Oberflächenrekombination im Verarmungsbereich die Unterdrückung des Dunkelstroms erheblich ein. Als Reaktion auf diese Probleme führten Ingenieure eine neue Gerätestruktur jenseits des PN-Übergangs ein, nämlich die unipolare Barrierestruktur.
Die Schlüsselidee hinter den unipolaren Barriere-Heterostrukturen von vdW kann zur Unterdrückung von Dunkelströmen in Fotodetektoren genutzt werden. Durch die Blockierung von Majoritätsträgern könnten diese Strukturen letztendlich den Betrieb von Infrarot-Fotodetektoren bei hohen Temperaturen ermöglichen und so bemerkenswerte Leistungen erzielen.
„Die vorgeschlagenen neuartigen unipolaren Barriere-Heterostrukturen von vdW könnten eine Lösung für den Engpass des Dunkelstroms in Infrarot-Fotodetektoren sein und die Leistung von Infrarot-Fotodetektoren weiter verbessern“, sagten die Forscher. „Letztendlich könnten sie so den Übergang von zweidimensionalen (2D) Materialien in Infrarotanwendungen vom ‚Labor zur Fabrik‘ erleichtern.“
In letzter Zeit haben immer mehr Forscher damit begonnen, Fotodetektoren mit unipolaren Barrierestrukturen (typischerweise nBn- und pBp-Heterostrukturen) zu entwerfen und zu verwenden, um Dunkelströme zu unterdrücken und den Betrieb bei hohen Temperaturen zu ermöglichen. Diese Barriereschichten können Dunkelströme blockieren, ermöglichen jedoch den ungehinderten Fluss des Photostroms.
„Im Fall von nBn kann die Leitungsbandbarriere die Bewegung von Elektronen von der Kontaktschicht zur Absorptionsschicht wirksam blockieren und den Oberflächenstrom stark dämpfen“, erklärten die Forscher. „Gleichzeitig liegt die Verteilung der Verarmungsregion nahe an der Barriereschicht mit breiter Bandlücke, was den SRH-Strom reduziert. Darüber hinaus kann mit der Abnahme der Trägerkonzentration in der Absorptionsschicht die Auger-Rekombination, die das heiße Rauschen bestimmt, effektiv unterdrückt werden.“
Beim Entwurf der Barriereschicht im Inneren von Fotodetektoren sollten Ingenieure Eigenschaften wie Bandausrichtung und Gitteranpassung berücksichtigen. Fotodetektoren mit einer unipolaren vdW-Barriere könnten somit aus zweidimensionalen (2D) Materialien hergestellt werden, die Gitterfehlanpassungen und Grenzflächendefekte vermeiden, die mit natürlich selbstpassivierten Oberflächen verbunden sind. Praktischerweise verfügen 2D-Materialien auch über schichtabstimmbare Bandstrukturen, die wissenschaftlich entworfen und gestapelt werden können, um nBn- oder pBp-Bandausrichtungen zu erzeugen.
„Die unipolaren Barrieren können den Dunkelstrom wirksam unterdrücken, indem sie eine Barriereschicht mit großer Bandlücke einführen“, sagten die Forscher. „So könnten unipolare Barriere-Fotodetektoren bei einer höheren Temperatur als ein pn-Übergang mit demselben Dunkelstrom arbeiten oder bei derselben Temperatur eine höhere Leistung erbringen.“
Forscher und ihre Kollegen waren die ersten, die wdW-Fotodetektoren mit unipolarer Barriere auf Basis von zweidimensionalen Schichtmaterialien realisierten. Darüber hinaus führten sie eine systematische Analyse der Komponenten des Dunkelstroms in unipolaren Barrierestrukturen durch.
In Zukunft könnten die von diesem Forscherteam entwickelten Fotodetektoren zur Verbesserung mehrerer Sensor- und Bildgebungsgeräte eingesetzt werden. Darüber hinaus könnte ihre Arbeit andere Teams dazu inspirieren, ähnliche Fotodetektoren zu entwickeln 2D geschichtete Materialien.
„Die vorgeschlagenen neuartigen unipolaren Barriere-Heterostrukturen von vdW stellen einen wichtigen technologischen Durchbruch für den Übergang zweidimensionaler Materialien vom Labor zur Fabrik im Bereich Infrarotanwendungen wie Fernerkundung und Infrarotbildgebung dar“, sagten die Forscher. „Basierend auf früheren Forschungen sind die Optimierung neuartiger Strukturen, skalierbare Infrarot-Focal-Plane-Arrays (FPA) und funktionale Anwendungen wie Dualband-Detektion und Polarisations-Infrarot-Bildgebung unsere folgenden Ziele.“