זרם כהה גבוה יכול לפגוע משמעותית בביצועים של גלאי פוטו אינפרא אדום, מכשירים שיכולים לזהות פוטונים בצורה של קרינת אינפרא אדום. במשך שנים רבות, מרבית הפתרונות לחסימת זרם כהה השתמשו בשדה החשמלי שבתוך הגלאים.
חוקרים באקדמיה הסינית למדעים פיתחו לאחרונה פיתרון חלופי לדיכוי זרם כהה בגלאי פוטו, המבוסס על שימוש בהטרו-מבנים של ואן דר וואלס (vdW). הם הציגו גלאי פוטו-גלאים חד-קוטביים אינפרא-אדומים באורך-גל שעשויים ממבני הטרו-הוו-וו-מהונדסים.
"מאז Bell Labs ייצרה את ה-Si מבוסס צומת PN בשנת 1935, השימוש בשדה החשמלי המובנה באזור הדלדול הפך לדרך הטכנית העיקרית לחסימת זרם חשוך. בגלאי צילום אינפרא אדום צומתים PN מסורתיים, הרקומבינציה הגבוהה של Shockley-read-Hall (SRH) ושילוב פני השטח באזור הדלדול מגבילים ברצינות את דיכוי הזרם האפל. בתגובה לבעיות אלו, המהנדסים הציגו מבנה מכשיר חדש מעבר לצומת ה-PN, כלומר מבנה המחסום החד-קוטבי.
ניתן להשתמש ברעיון המפתח מאחורי הטרו-מבנים מחסום חד-קוטביים vdW לדיכוי זרם כהה בתוך גלאי פוטו. על ידי חסימת מובילי הרוב, למעשה, מבנים אלה יכולים בסופו של דבר לאפשר לגלאי פוטו-אינפרא אדום לפעול בטמפרטורות גבוהות ולהשיג ביצועים מדהימים.
"ההטרו-מבנים המחודדים החד-קוטביים vdW המוצעים יכולים להוות פיתרון לצוואר הבקבוק של הזרם הכהה בגלאי פוטו-אדום ולשפר עוד יותר את הביצועים של גלאי פוטו-אינפרא-אדום", אמרו החוקרים. "בסופו של דבר, הם יוכלו לפשט את המעבר 'מעבדה למפעל' של חומרים דו מימדיים (2D) ביישומי אינפרא אדום."
לאחרונה, חוקרים נוספים החלו לתכנן ולהשתמש בגלאי פוטו עם מבני מחסום חד קוטביים (בדרך כלל הטרו-מבנים nBn ו- pBp) כדי לדכא זרם כהה ולאפשר פעולה בטמפרטורות גבוהות. שכבות מחסום אלו יכולות לחסום זרם כהה, אך עם זאת הן מאפשרות לזרם פוטו לזרום בחופשיות.
"במקרה של nBn, מחסום פס ההולכה יכול לחסום ביעילות את תנועת האלקטרונים משכבת המגע לשכבת הקליטה ולהפוך את זרם השטח להחליש מאוד", הסבירו החוקרים. "יחד עם זאת, התפלגות אזור הדלדול קרובה לשכבת מחסום הפס הרחב, המפחיתה את זרם ה- SRH. בנוסף, עם ירידת ריכוז המוביל בשכבת הקליטה, ניתן לדכא ביעילות את הרקומבינציה של Auger הקובעת את הרעש החם. "
בעת תכנון שכבת המחסום בתוך גלאי פוטו, על המהנדסים לקחת בחשבון מאפיינים כמו יישור הלהקה והתאמת הסורג. גלאי פוטו עם מחסום חד קוטבי vdW יכולים לפיכך להיות עשויים מחומרים דו מימדיים (2D), המונעים חוסר התאמה בין סריג ופגמים בממשק הקשורים למשטחים המופעלים באופן טבעי. באופן נוח, לחומרים דו-ממדיים יש גם מבני להקה המותאמים לשכבה, שניתן לעצב מדעית ולערום אותם כדי ליצור יישור פס nBn או pBp.
"המחסומים החד-קוטביים יכולים לדכא את הזרם האפל ביעילות על ידי החדרת שכבת מחסום פס רחב.", אמרו החוקרים. "לפיכך, פוטו-גלאי מחסום חד-קוטביים יכולים לפעול בטמפרטורה גבוהה יותר מאשר צומת pn עם אותו זרם כהה או להיות בעלי ביצועים גבוהים יותר באותה טמפרטורה."
חוקרים ועמיתיהם היו הראשונים שהבינו גלאי פוטו-גלאי חד-קוטבי wdW המבוססים על חומרים שכבתיים דו-ממדיים. בנוסף, הם ערכו ניתוח שיטתי של מרכיבי הזרם הכהה במבני מחסום חד קוטביים.
בעתיד, הצילומי הפוטו שיצרו צוות חוקרים זה יוכלו לשמש לשיפור מספר מכשירי חישה והדמיה. יתר על כן, עבודתם יכולה לעודד צוותים אחרים ליצור גלאי פוטו דומים באמצעות 2D חומרים מרובדים.
"ההיסטורוקטורות החדשות המוצעות של מחסום חד-קוטבי vdW מציעות פריצת דרך טכנולוגית מרכזית למעבר 'מעבדה למפעל' של חומרים דו-ממדיים בתחום יישומי אינפרא-אדום כגון חישה מרחוק והדמיה אינפרא-אדומה", אמרו החוקרים. "בהתבסס על מחקרים קודמים, מיטוב מבנים חדשניים, מערך מישור מוקד אינפרא אדום (FPA) וניתנים להרחבה ויישומים פונקציונליים כמו זיהוי פס כפול והדמיית אינפרא אדום קיטוב הם היעדים הבאים שלנו."