Un'elevata corrente di buio può compromettere in modo significativo le prestazioni dei fotorivelatori a infrarossi, dispositivi in grado di rilevare i fotoni sotto forma di radiazione infrarossa. Per molti anni, la maggior parte delle soluzioni per bloccare la corrente di buio ha utilizzato il campo elettrico all'interno dei rivelatori.
I ricercatori dell'Accademia cinese delle scienze hanno recentemente ideato una soluzione alternativa per sopprimere la corrente oscura nei fotorivelatori, che si basa sull'uso di eterostrutture di van der Waals (vdW). Hanno presentato fotorivelatori a barriera unipolare a infrarossi visibili e di media lunghezza d'onda realizzati con eterostrutture vdW ingegnerizzate a banda.
“Da quando i Bell Labs hanno prodotto il Si-based Giunzione PN nel 1935, l'utilizzo del campo elettrico incorporato nella regione di esaurimento è diventato il principale percorso tecnico per bloccare la corrente oscura. Nei tradizionali fotorilevatori a infrarossi giunzionali PN, l'elevata ricombinazione Shockley-read-Hall (SRH) e la ricombinazione superficiale nella regione di svuotamento limitano seriamente la soppressione della corrente oscura. In risposta a questi problemi, gli ingegneri hanno introdotto una nuova struttura del dispositivo oltre la giunzione PN, ovvero la struttura a barriera unipolare.
L'idea chiave alla base delle eterostrutture a barriera unipolare vdW può essere utilizzata per sopprimere la corrente oscura all'interno dei fotorivelatori. Bloccando i vettori maggioritari, infatti, queste strutture potrebbero in ultima analisi consentire ai fotorivelatori infrarossi di operare ad alte temperature, ottenendo prestazioni notevoli.
"Le nuove eterostrutture a barriera unipolare vdW proposte potrebbero essere una soluzione al collo di bottiglia della corrente oscura nei fotorivelatori a infrarossi e migliorare ulteriormente le prestazioni dei fotorivelatori a infrarossi", hanno affermato i ricercatori. "Alla fine, potrebbero quindi facilitare la transizione da "laboratorio a fabbrica" di materiali bidimensionali (2D) nelle applicazioni a infrarossi".
Recentemente, più ricercatori hanno iniziato a progettare e utilizzare fotorivelatori con strutture barriera unipolari (tipicamente eterostrutture nBn e pBp) per sopprimere la corrente oscura e consentire il funzionamento ad alte temperature. Questi strati barriera possono bloccare la corrente oscura, ma consentono alla fotocorrente di fluire liberamente.
"Nel caso di nBn, la barriera della banda di conduzione può bloccare efficacemente il movimento degli elettroni dallo strato di contatto allo strato di assorbimento e ridurre notevolmente la corrente superficiale", hanno spiegato i ricercatori. “Allo stesso tempo, la distribuzione della regione di svuotamento è vicina allo strato barriera a banda larga, che riduce la corrente SRH. Inoltre, con la diminuzione della concentrazione del vettore nello strato di assorbimento, la ricombinazione Auger che determina il rumore caldo può essere efficacemente soppressa.
Quando si progetta lo strato barriera all'interno dei fotorivelatori, gli ingegneri dovrebbero prendere in considerazione caratteristiche come l'allineamento delle bande e l'adattamento del reticolo. I fotorivelatori con una barriera unipolare vdW potrebbero quindi essere realizzati con materiali bidimensionali (2D), che evitano il disallineamento del reticolo e i difetti di interfaccia associati alle superfici naturalmente auto-passivate. Convenientemente, i materiali 2D hanno anche strutture di banda sintonizzabili a strati, che possono essere progettate scientificamente e impilate per creare allineamenti di bande nBn o pBp.
"Le barriere unipolari possono sopprimere efficacemente la corrente oscura introducendo un ampio strato di barriera a banda proibita", hanno affermato i ricercatori. “Pertanto, i fotorivelatori a barriera unipolare potrebbero funzionare a una temperatura più elevata rispetto a una giunzione pn con la stessa corrente oscura o avere prestazioni più elevate alla stessa temperatura”.
I ricercatori ei loro colleghi sono stati i primi a realizzare fotorivelatori a barriera unipolare wdW basati su materiali stratificati 2D. Inoltre, hanno condotto un'analisi sistematica dei componenti della corrente oscura nelle strutture barriera unipolari.
In futuro, i fotorilevatori creati da questo team di ricercatori potrebbero essere utilizzati per migliorare diversi dispositivi di rilevamento e imaging. Inoltre, il loro lavoro potrebbe ispirare altri team a creare fotorilevatori simili utilizzando 2D materiali stratificati.
"Le nuove eterostrutture a barriera unipolare vdW proposte rappresentano un importante passo avanti tecnologico per la transizione 'da laboratorio a fabbrica' di materiali bidimensionali nel campo delle applicazioni a infrarossi come il telerilevamento e l'imaging a infrarossi", hanno affermato i ricercatori. "Sulla base di ricerche precedenti, l'ottimizzazione della nuova struttura, l'array del piano focale a infrarossi scalabile (FPA) e le applicazioni funzionali come il rilevamento a doppia banda e l'imaging a infrarossi di polarizzazione sono i nostri seguenti obiettivi".