Arus gelap yang tinggi dapat menjejaskan prestasi photodetectors inframerah, peranti yang dapat mengesan foton dalam bentuk sinaran inframerah. Selama bertahun-tahun, kebanyakan penyelesaian untuk menyekat arus gelap menggunakan medan elektrik di dalam alat pengesan.
Penyelidik di Akademi Sains China baru-baru ini merancang penyelesaian alternatif untuk menyekat arus gelap pada fotodetektor, yang berdasarkan penggunaan heterostruktur van der Waals (vdW). Mereka membentangkan fotodetektor penghalang inframerah inframerah panjang dan panjang gelombang yang diperbuat daripada heterostruktur vdW rekayasa jalur.
“Memandangkan Bell Labs menghasilkan berasaskan Si persimpangan PN pada tahun 1935, menggunakan medan elektrik terbina dalam di kawasan penyusutan telah menjadi laluan teknikal utama untuk menyekat arus gelap. Dalam pengesan foto inframerah persimpangan PN tradisional, penggabungan semula Shockley-read-Hall (SRH) yang tinggi dan penggabungan semula permukaan di kawasan penyusutan secara serius mengehadkan penindasan arus gelap. Sebagai tindak balas kepada isu ini, jurutera memperkenalkan struktur peranti baharu di luar persimpangan PN, iaitu struktur penghalang unipolar.
Idea utama di sebalik heterostruktur penghalang vipW unipolar dapat digunakan untuk menekan arus gelap di dalam fotodetektor. Dengan menyekat pembawa majoriti, sebenarnya, struktur ini akhirnya dapat membolehkan fotodetektor inframerah beroperasi pada suhu tinggi, mencapai prestasi yang luar biasa.
"Heterostruktur penghalang unipolar vdW yang diusulkan boleh menjadi penyelesaian untuk hambatan arus gelap pada photodetectors inframerah dan meningkatkan lagi prestasi photodetectors inframerah," kata para penyelidik. "Akhirnya, mereka dapat memudahkan peralihan 'lab-to-fab' bahan dua dimensi (2D) dalam aplikasi inframerah."
Baru-baru ini, lebih banyak penyelidik mula merancang dan menggunakan fotodetektor dengan struktur penghalang unipolar (biasanya hBrn dan pBp heterostruktur) untuk menekan arus gelap dan membolehkan operasi pada suhu tinggi. Lapisan penghalang ini dapat menyekat arus gelap, namun ia membenarkan aliran wang mengalir dengan bebas.
"Dalam kes nBn, penghalang pita konduksi dapat menyekat pergerakan elektron dari lapisan sentuhan ke lapisan penyerapan dengan berkesan dan membuat arus permukaan dilemahkan," jelas para penyelidik. "Pada waktu yang sama, penyebaran kawasan penipisan dekat dengan lapisan penghalang lebar lebar, yang mengurangkan arus SRH. Selain itu, dengan penurunan kepekatan pembawa dalam lapisan penyerapan, pengumpulan semula Auger yang menentukan kebisingan panas dapat ditekan dengan berkesan. "
Semasa merancang lapisan penghalang di dalam photodetectors, jurutera harus mempertimbangkan ciri-ciri seperti penjajaran jalur dan pemadanan kisi. Photodetectors dengan penghalang unipolar vdW boleh dibuat dari bahan dua dimensi (2D), yang mengelakkan ketidakcocokan kisi dan kecacatan antara muka yang berkaitan dengan permukaan pasif diri secara semula jadi. Secara mudah, bahan 2D juga mempunyai struktur jalur yang dapat diselaraskan lapisan, yang dapat dirancang dan ditumpuk secara ilmiah untuk membuat penjajaran jalur nBn atau pBp.
"Halangan unipolar dapat menekan arus gelap dengan berkesan dengan memperkenalkan lapisan penghalang bandgap yang besar," kata para penyelidik. "Oleh itu, photodetectors penghalang unipolar dapat beroperasi pada suhu yang lebih tinggi daripada persimpangan pn dengan arus gelap yang sama atau mempunyai prestasi yang lebih tinggi pada suhu yang sama."
Penyelidik dan rakan-rakan mereka adalah orang pertama yang menyedari photodetectors penghalang undolar berdasarkan bahan berlapis 2D. Di samping itu, mereka melakukan analisis sistematik komponen arus gelap dalam struktur penghalang unipolar.
Di masa depan, fotodetektor yang dibuat oleh pasukan penyelidik ini dapat digunakan untuk meningkatkan beberapa alat penginderaan dan pencitraan. Lebih-lebih lagi, karya mereka dapat memberi inspirasi kepada pasukan lain untuk membuat fotodetektor serupa menggunakan 2D bahan berlapis.
"Heterostruktur penghalang unipolar vdW yang dicadangkan membuat penembusan teknologi utama kepada peralihan 'lab-to-fab' bahan dua dimensi dalam bidang aplikasi inframerah seperti penginderaan jauh dan pencitraan inframerah," kata para penyelidik. "Berdasarkan penelitian sebelumnya, pengoptimuman struktur baru, array bidang fokus inframerah skala (FPA) dan aplikasi fungsional seperti pengesanan dual-band dan pencitraan inframerah polarisasi adalah sasaran berikut kami."