Hoge donkere stroom kan de prestaties van infraroodfotodetectoren, apparaten die fotonen in de vorm van infraroodstraling kunnen detecteren, aanzienlijk verminderen. Jarenlang maakten de meeste oplossingen voor het blokkeren van donkere stroom gebruik van het elektrische veld in de detectoren.
Onderzoekers van de Chinese Academie van Wetenschappen hebben onlangs een alternatieve oplossing bedacht om donkerstroom in fotodetectoren te onderdrukken, gebaseerd op het gebruik van van der Waals (vdW) heterostructuren. Ze presenteerden zichtbare en middengolflengte infrarood unipolaire barrière-fotodetectoren gemaakt van band-ontworpen vdW-heterostructuren.
“Sinds Bell Labs de Si-gebaseerde produceerde PN-kruising in 1935 was het gebruik van het ingebouwde elektrische veld in het uitputtingsgebied de belangrijkste technische route geworden om donkerstroom te blokkeren. In traditionele PN-junctionele infraroodfotodetectoren beperken de hoge Shockley-read-Hall (SRH) -recombinatie en oppervlakterecombinatie in het uitputtingsgebied de onderdrukking van donkerstroom ernstig. Als reactie op deze problemen introduceerden ingenieurs een nieuwe apparaatstructuur voorbij de PN-overgang, namelijk de unipolaire barrièrestructuur.
Het sleutelidee achter vdW unipolaire barrière heterostructuren kan worden gebruikt om donkere stroom in fotodetectoren te onderdrukken. Door meerderheidsdragers te blokkeren, zouden deze structuren het uiteindelijk mogelijk kunnen maken dat infraroodfotodetectoren bij hoge temperaturen werken en opmerkelijke prestaties leveren.
"De voorgestelde nieuwe vdW unipolaire barrière heterostructuren kunnen een oplossing zijn voor het knelpunt van donkerstroom in infrarood fotodetectoren en de prestaties van infrarood fotodetectoren verder verbeteren", aldus onderzoekers. "Uiteindelijk zouden ze zo de 'lab-naar-fab'-overgang van tweedimensionale (2D) materialen in infraroodtoepassingen kunnen vergemakkelijken."
Onlangs zijn meer onderzoekers begonnen met het ontwerpen en gebruiken van fotodetectoren met unipolaire barrièrestructuren (meestal nBn- en pBp-heterostructuren) om donkere stroom te onderdrukken en werking bij hoge temperaturen mogelijk te maken. Deze barrièrelagen kunnen donkere stroom blokkeren, maar ze laten fotostroom vrij stromen.
"In het geval van nBn kan de geleidingsbandbarrière de beweging van elektronen van de contactlaag naar de absorptielaag effectief blokkeren en de oppervlaktestroom sterk verzwakken", legden onderzoekers uit. "Tegelijkertijd ligt de verdeling van het uitputtingsgebied dicht bij de barrièrelaag met brede bandgap, wat de SRH-stroom vermindert. Bovendien kan met de afname van de dragerconcentratie in de absorptielaag de Auger-recombinatie die de hete ruis bepaalt effectief worden onderdrukt.”
Bij het ontwerpen van de barrièrelaag in fotodetectoren moeten ingenieurs rekening houden met kenmerken zoals banduitlijning en roosterafstemming. Fotodetectoren met een vdW unipolaire barrière zouden dus kunnen worden gemaakt van tweedimensionale (2D) materialen, die rooster-mismatch en interfacedefecten voorkomen die samenhangen met van nature zelf-gepassiveerde oppervlakken. Handig is dat 2D-materialen ook laagafstembare bandstructuren hebben, die wetenschappelijk kunnen worden ontworpen en gestapeld om nBn- of pBp-banduitlijningen te creëren.
"De unipolaire barrières kunnen de donkere stroom effectief onderdrukken door een grote bandgap-barrièrelaag te introduceren", aldus onderzoekers. "Dus unipolaire barrière-fotodetectoren zouden bij een hogere temperatuur kunnen werken dan een pn-overgang met dezelfde donkerstroom of betere prestaties kunnen leveren bij dezelfde temperatuur."
Onderzoekers en hun collega's waren de eersten die wdW unipolaire barrière-fotodetectoren realiseerden op basis van 2D-gelaagde materialen. Bovendien voerden ze een systematische analyse uit van de componenten van donkere stroom in unipolaire barrièrestructuren.
In de toekomst kunnen de fotodetectoren die door dit team van onderzoekers zijn gemaakt, worden gebruikt om verschillende detectie- en beeldvormingsapparaten te verbeteren. Bovendien zou hun werk andere teams kunnen inspireren om vergelijkbare fotodetectoren te maken met behulp van 2D gelaagde materialen.
"De voorgestelde nieuwe vdW unipolaire barrière heterostructuren zorgen voor een belangrijke technologische doorbraak in de 'lab-to-fab'-transitie van tweedimensionale materialen op het gebied van infraroodtoepassingen zoals teledetectie en infraroodbeeldvorming," aldus de onderzoekers. "Op basis van eerder onderzoek zijn nieuwe structuuroptimalisatie, schaalbare infrarood focal plane array (FPA) en functionele toepassingen zoals dual-band detectie en polarisatie-infraroodbeeldvorming onze volgende doelen."