높은 암전류는 적외선 형태의 광자를 감지 할 수있는 장치 인 적외선 광 검출기의 성능을 크게 저하시킬 수 있습니다. 수년 동안 대부분의 암전류 차단 솔루션은 감지기 내부의 전기장을 사용했습니다.
중국 과학 아카데미의 연구원들은 최근 van der Waals (vdW) 이종 구조의 사용을 기반으로하는 광 검출기의 암전류를 억제하는 대체 솔루션을 고안했습니다. 그들은 band-engineered vdW heterostructures로 만들어진 가시 및 중간 파장 적외선 단극 장벽 광 검출기를 제시했습니다.
“벨 연구소에서 Si 기반의 실리콘을 생산한 이후로 PN 접합 1935년에는 공핍 영역에 내장된 전기장을 이용하는 것이 암전류를 차단하는 주요 기술 경로가 되었습니다. 기존 PN 접합 적외선 광검출기에서는 공핍 영역에서 높은 SRH(Shockley-read-Hall) 재결합과 표면 재결합이 암전류 억제를 심각하게 제한합니다. 이러한 문제에 대응하여 엔지니어들은 PN 접합을 넘어서는 새로운 장치 구조, 즉 단극 장벽 구조를 도입했습니다.
vdW 단극 장벽 이종 구조의 핵심 아이디어는 광 검출기 내부의 암전류를 억제하는 데 사용할 수 있습니다. 실제로 대부분의 캐리어를 차단함으로써 이러한 구조는 궁극적으로 적외선 광 검출기가 고온에서 작동하여 놀라운 성능을 달성 할 수 있도록합니다.
“제안 된 새로운 vdW 단극 장벽 이종 구조는 적외선 광 검출기의 암전류 병목 현상에 대한 해결책이 될 수 있으며 적외선 광 검출기의 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다.”라고 연구원들은 말했습니다. “결국 그들은 적외선 응용 분야에서 2 차원 (XNUMXD) 재료의 '실험실 간'전환을 촉진 할 수 있습니다.”
최근에 더 많은 연구자들이 단극 장벽 구조 (일반적으로 nBn 및 pBp 이종 구조)가있는 광 검출기를 설계하고 사용하여 암전류를 억제하고 고온에서 작동 할 수 있도록하기 시작했습니다. 이러한 장벽 층은 암전류를 차단할 수 있지만 광전류가 자유롭게 흐르도록합니다.
“nBn의 경우 전도대 장벽은 접촉 층에서 흡수층으로의 전자 이동을 효과적으로 차단하고 표면 전류를 크게 감쇠시킬 수 있습니다. “동시에 공핍 영역의 분포는 광대역 갭 장벽 층에 가깝기 때문에 SRH 전류를 감소시킵니다. 또한 흡수층의 캐리어 농도가 감소함에 따라 핫 노이즈를 결정하는 Auger 재조합이 효과적으로 억제 될 수 있습니다.”
광 검출기 내부의 장벽 층을 설계 할 때 엔지니어는 밴드 정렬 및 격자 정합과 같은 특성을 고려해야합니다. 따라서 vdW 단극 장벽이있는 광 검출기는 2 차원 (2D) 재료로 만들어 질 수 있으며, 이는 자연적으로 자체 부동 태화 된 표면과 관련된 격자 불일치 및 인터페이스 결함을 방지합니다. 편리하게도 XNUMXD 재료에는 레이어 조정 가능한 밴드 구조가있어 과학적으로 설계 및 적층하여 nBn 또는 pBp 밴드 정렬을 생성 할 수 있습니다.
“단극 장벽은 큰 밴드 갭 장벽 층을 도입함으로써 암전류를 효과적으로 억제 할 수 있습니다.”라고 연구원들은 말했습니다. 따라서, 단극 장벽 광 검출기는 동일한 암전류를 가진 pn 접합보다 더 높은 온도에서 작동하거나 동일한 온도에서 더 높은 성능을 가질 수 있습니다.”
연구원들과 동료들은 2D 레이어 재료를 기반으로 한 wdW 단극 장벽 광 검출기를 최초로 구현했습니다. 또한 단극 장벽 구조에서 암전류 성분에 대한 체계적인 분석을 수행했습니다.
앞으로이 연구팀이 만든 광 검출기는 여러 감지 및 이미징 장치를 향상시키는 데 사용될 수 있습니다. 더욱이, 그들의 작업은 다른 팀이 2D 계층화 된 재료.
“제안 된 새로운 vdW 단극 장벽 이종 구조는 원격 감지 및 적외선 이미징과 같은 적외선 응용 분야에서 XNUMX 차원 재료의 '실험실에서 팹으로'전환하는 데 핵심적인 기술적 돌파구를 제공합니다. "이전 연구에 따르면 새로운 구조 최적화, 확장 가능한 FPA (적외선 초점면 배열) 및 이중 대역 감지 및 편광 적외선 이미징과 같은 기능적 응용 프로그램이 우리의 다음 목표입니다."