Arus gelap yang tinggi dapat secara signifikan mengganggu kinerja fotodetektor inframerah, perangkat yang dapat mendeteksi foton dalam bentuk radiasi inframerah. Selama bertahun-tahun, sebagian besar solusi untuk memblokir arus gelap menggunakan medan listrik di dalam detektor.
Para peneliti di Akademi Ilmu Pengetahuan China baru-baru ini menemukan solusi alternatif untuk menekan arus gelap di fotodetektor, yang didasarkan pada penggunaan heterostruktur van der Waals (vdW). Mereka mempresentasikan fotodetektor penghalang unipolar inframerah yang terlihat dan panjang gelombang menengah yang terbuat dari heterostruktur vdW yang direkayasa pita.
“Sejak Bell Labs memproduksi yang berbasis Si Persimpangan PN pada tahun 1935, penggunaan medan listrik bawaan di wilayah yang menipis telah menjadi jalur teknis utama untuk memblokir arus gelap. Dalam fotodetektor inframerah fungsional PN tradisional, rekombinasi Shockley-read-Hall (SRH) yang tinggi dan rekombinasi permukaan di wilayah penipisan secara serius membatasi penekanan arus gelap. Menanggapi masalah ini, para insinyur memperkenalkan struktur perangkat baru di luar persimpangan PN, yaitu struktur penghalang unipolar.
Ide kunci di balik heterostruktur penghalang unipolar vdW dapat digunakan untuk menekan arus gelap di dalam fotodetektor. Dengan memblokir pembawa mayoritas, pada kenyataannya, struktur ini pada akhirnya dapat memungkinkan fotodetektor inframerah beroperasi pada suhu tinggi, mencapai kinerja yang luar biasa.
“Heterostruktur penghalang unipolar vdW baru yang diusulkan dapat menjadi solusi untuk kemacetan arus gelap di fotodetektor inframerah dan lebih meningkatkan kinerja fotodetektor inframerah,” kata para peneliti. “Akhirnya, mereka dapat memfasilitasi transisi 'lab-ke-fab' dari material dua dimensi (2D) dalam aplikasi inframerah.”
Baru-baru ini, lebih banyak peneliti telah mulai merancang dan menggunakan fotodetektor dengan struktur penghalang unipolar (biasanya heterostruktur nBn dan pBp) untuk menekan arus gelap dan memungkinkan operasi pada suhu tinggi. Lapisan penghalang ini dapat memblokir arus gelap, namun memungkinkan arus foto mengalir dengan bebas.
“Dalam kasus nBn, penghalang pita konduksi dapat secara efektif memblokir pergerakan elektron dari lapisan kontak ke lapisan penyerapan dan membuat arus permukaan sangat dilemahkan,” jelas peneliti. “Pada saat yang sama, distribusi wilayah penipisan dekat dengan lapisan penghalang celah pita lebar, yang mengurangi arus SRH. Selain itu, dengan penurunan konsentrasi pembawa di lapisan penyerapan, rekombinasi Auger yang menentukan kebisingan panas dapat ditekan secara efektif.”
Saat merancang lapisan penghalang di dalam fotodetektor, para insinyur harus mempertimbangkan karakteristik seperti penyelarasan pita dan pencocokan kisi. Fotodetektor dengan penghalang unipolar vdW dapat dibuat dari bahan dua dimensi (2D), yang menghindari ketidakcocokan kisi dan cacat antarmuka yang terkait dengan permukaan yang dipasifkan sendiri secara alami. Mudahnya, material 2D juga memiliki struktur pita yang dapat disetel lapisan, yang dapat dirancang dan disusun secara ilmiah untuk membuat penyelarasan pita nBn atau pBp.
“Penghalang unipolar dapat secara efektif menekan arus gelap dengan memperkenalkan lapisan penghalang celah pita yang besar,” kata para peneliti. “Dengan demikian, fotodetektor penghalang unipolar dapat beroperasi pada suhu yang lebih tinggi daripada sambungan pn dengan arus gelap yang sama atau memiliki kinerja yang lebih tinggi pada suhu yang sama.”
Para peneliti dan rekan-rekan mereka adalah yang pertama menyadari fotodetektor penghalang unipolar wdW berdasarkan bahan berlapis 2D. Selain itu, mereka melakukan analisis sistematis komponen arus gelap dalam struktur penghalang unipolar.
Di masa depan, fotodetektor yang dibuat oleh tim peneliti ini dapat digunakan untuk meningkatkan beberapa perangkat penginderaan dan pencitraan. Selain itu, pekerjaan mereka dapat menginspirasi tim lain untuk membuat fotodetektor serupa menggunakan 2D bahan berlapis.
"Heterostruktur penghalang unipolar vdW baru yang diusulkan membuat terobosan teknologi kunci untuk transisi 'lab-to-fab' dari bahan dua dimensi di bidang aplikasi inframerah seperti penginderaan jauh dan pencitraan inframerah," kata para peneliti. “Berdasarkan penelitian sebelumnya, pengoptimalan struktur baru, susunan bidang fokus inframerah (FPA) yang dapat diskalakan, dan aplikasi fungsional seperti deteksi pita ganda dan pencitraan inframerah polarisasi adalah target kami berikutnya.”