Un courant d'obscurité élevé peut nuire considérablement aux performances des photodétecteurs infrarouges, des appareils capables de détecter des photons sous forme de rayonnement infrarouge. Pendant de nombreuses années, la plupart des solutions pour bloquer le courant d'obscurité ont utilisé le champ électrique à l'intérieur des détecteurs.
Des chercheurs de l'Académie chinoise des sciences ont récemment mis au point une solution alternative pour supprimer le courant d'obscurité dans les photodétecteurs, basée sur l'utilisation d'hétérostructures de van der Waals (vdW). Ils ont présenté des photodétecteurs à barrière unipolaire infrarouge visible et de moyenne longueur d'onde constitués d'hétérostructures vdW conçues en bande.
« Depuis que les Bell Labs ont produit le système à base de Si Jonction PN en 1935, l'utilisation du champ électrique intégré dans la région d'épuisement est devenue la principale voie technique pour bloquer le courant d'obscurité. Dans les photodétecteurs infrarouges jonctionnels PN traditionnels, la recombinaison élevée de Shockley-read-Hall (SRH) et la recombinaison de surface dans la région d'appauvrissement limitent sérieusement la suppression du courant d'obscurité. En réponse à ces problèmes, les ingénieurs ont introduit une nouvelle structure de dispositif au-delà de la jonction PN, à savoir la structure à barrière unipolaire.
L'idée clé derrière les hétérostructures de barrière unipolaire vdW peut être utilisée pour supprimer le courant d'obscurité à l'intérieur des photodétecteurs. En bloquant les porteurs majoritaires, en effet, ces structures pourraient à terme permettre aux photodétecteurs infrarouges de fonctionner à des températures élevées, avec des performances remarquables.
"Les nouvelles hétérostructures de barrière unipolaire vdW proposées pourraient être une solution au goulot d'étranglement du courant d'obscurité dans les photodétecteurs infrarouges et améliorer encore les performances des photodétecteurs infrarouges", ont déclaré les chercheurs. « À terme, ils pourraient ainsi faciliter la transition « laboratoire à usine » de matériaux bidimensionnels (2D) dans les applications infrarouges. »
Récemment, davantage de chercheurs ont commencé à concevoir et à utiliser des photodétecteurs avec des structures de barrière unipolaires (généralement des hétérostructures nBn et pBp) pour supprimer le courant d'obscurité et permettre un fonctionnement à haute température. Ces couches barrières peuvent bloquer le courant d'obscurité, mais elles permettent au photocourant de circuler librement.
"Dans le cas du nBn, la barrière de bande de conduction peut bloquer efficacement le mouvement des électrons de la couche de contact à la couche d'absorption et rendre le courant de surface considérablement atténué", ont expliqué les chercheurs. « Dans le même temps, la distribution de la région d'appauvrissement est proche de la couche barrière à large bande interdite, ce qui réduit le courant SRH. De plus, avec la diminution de la concentration de porteurs dans la couche d'absorption, la recombinaison Auger qui détermine le bruit chaud peut être efficacement supprimée.
Lors de la conception de la couche barrière à l'intérieur des photodétecteurs, les ingénieurs doivent prendre en compte des caractéristiques telles que l'alignement des bandes et la correspondance du réseau. Les photodétecteurs à barrière unipolaire vdW pourraient ainsi être constitués de matériaux bidimensionnels (2D), qui évitent les défauts d'appariement et d'interface associés aux surfaces naturellement auto-passivées. De manière pratique, les matériaux 2D ont également des structures de bandes accordables en couches, qui peuvent être conçues et empilées scientifiquement pour créer des alignements de bandes nBn ou pBp.
"Les barrières unipolaires peuvent supprimer efficacement le courant d'obscurité en introduisant une grande couche barrière à bande interdite", ont déclaré les chercheurs. "Ainsi, les photodétecteurs à barrière unipolaire pourraient fonctionner à une température plus élevée qu'une jonction pn avec le même courant d'obscurité ou avoir des performances plus élevées à la même température."
Les chercheurs et leurs collègues ont été les premiers à réaliser des photodétecteurs à barrière unipolaire wdW basés sur des matériaux en couches 2D. De plus, ils ont mené une analyse systématique des composantes du courant d'obscurité dans les structures de barrière unipolaire.
À l'avenir, les photodétecteurs créés par cette équipe de chercheurs pourraient être utilisés pour améliorer plusieurs dispositifs de détection et d'imagerie. De plus, leur travail pourrait inspirer d'autres équipes à créer des photodétecteurs similaires utilisant 2D matériaux en couches.
"Les nouvelles hétérostructures de barrière unipolaire vdW proposées constituent une avancée technologique clé pour la transition" du laboratoire à la fabrication "de matériaux bidimensionnels dans le domaine des applications infrarouges telles que la télédétection et l'imagerie infrarouge", ont déclaré les chercheurs. « Sur la base de recherches antérieures, une nouvelle optimisation de la structure, un réseau plan focal infrarouge (FPA) évolutif et des applications fonctionnelles telles que la détection à double bande et l'imagerie infrarouge à polarisation sont nos cibles suivantes. »