A alta corrente escura pode prejudicar significativamente o desempenho dos fotodetectores infravermelhos, dispositivos que podem detectar fótons na forma de radiação infravermelha. Por muitos anos, a maioria das soluções para bloquear a corrente escura usava o campo elétrico dentro dos detectores.
Pesquisadores da Academia Chinesa de Ciências desenvolveram recentemente uma solução alternativa para suprimir a corrente escura em fotodetectores, que é baseada no uso de heteroestruturas de van der Waals (vdW). Eles apresentavam fotodetectores de barreira unipolar de infravermelho visível e de comprimento de onda médio feitos de heteroestruturas VdW projetadas em banda.
“Desde que a Bell Labs produziu o produto baseado em Si Junção PN em 1935, o uso do campo elétrico embutido na região de esgotamento tornou-se a principal via técnica para bloquear a corrente escura. Nos fotodetectores infravermelhos juncionais PN tradicionais, a alta recombinação Shockley-read-Hall (SRH) e a recombinação de superfície na região de depleção limitam seriamente a supressão da corrente escura. Em resposta a estas questões, os engenheiros introduziram uma nova estrutura de dispositivo além da junção PN, nomeadamente a estrutura de barreira unipolar.
A ideia-chave por trás das heteroestruturas de barreira unipolar vdW pode ser usada para suprimir a corrente escura dentro dos fotodetectores. Ao bloquear os portadores majoritários, de fato, essas estruturas poderiam, em última análise, permitir que os fotodetectores infravermelhos operassem em altas temperaturas, alcançando desempenhos notáveis.
"As novas heteroestruturas de barreira unipolar vdW propostas podem ser uma solução para o gargalo da corrente escura em fotodetectores infravermelhos e melhorar ainda mais o desempenho dos fotodetectores infravermelhos", disseram os pesquisadores. “Eventualmente, eles poderiam facilitar a transição do 'laboratório para a fábrica' de materiais bidimensionais (2D) em aplicações de infravermelho.”
Recentemente, mais pesquisadores começaram a projetar e usar fotodetectores com estruturas de barreira unipolar (normalmente heteroestruturas nBn e pBp) para suprimir a corrente escura e permitir a operação em altas temperaturas. Essas camadas de barreira podem bloquear a corrente escura, mas permitem que a fotocorrente flua livremente.
“No caso do nBn, a barreira da banda de condução pode bloquear efetivamente o movimento dos elétrons da camada de contato para a camada de absorção e tornar a corrente de superfície bastante atenuada”, explicaram os pesquisadores. “Ao mesmo tempo, a distribuição da região de depleção é próxima à camada de barreira de bandgap largo, o que reduz a corrente SRH. Além disso, com a diminuição da concentração de transportador na camada de absorção, a recombinação Auger que determina o ruído quente pode ser efetivamente suprimida. ”
Ao projetar a camada de barreira dentro dos fotodetectores, os engenheiros devem levar em consideração características como alinhamento de banda e correspondência de rede. Os fotodetectores com uma barreira unipolar vdW poderiam, portanto, ser feitos de materiais bidimensionais (2D), o que evita incompatibilidade de rede e defeitos de interface associados a superfícies naturalmente autopassivadas. Convenientemente, os materiais 2D também têm estruturas de bandas ajustáveis em camadas, que podem ser cientificamente projetadas e empilhadas para criar alinhamentos de bandas nBn ou pBp.
“As barreiras unipolares podem suprimir efetivamente a corrente escura, introduzindo uma grande camada de barreira de bandgap”, disseram os pesquisadores. “Assim, os fotodetectores de barreira unipolar podem operar a uma temperatura mais alta do que uma junção pn com a mesma corrente escura ou ter um desempenho superior na mesma temperatura.”
Os pesquisadores e seus colegas foram os primeiros a realizar fotodetectores de barreira unipolar wdW baseados em materiais em camadas 2D. Além disso, eles realizaram uma análise sistemática dos componentes da corrente escura em estruturas de barreira unipolar.
No futuro, os fotodetectores criados por esta equipe de pesquisadores poderão ser usados para aprimorar diversos dispositivos de detecção e imagem. Além disso, seu trabalho pode inspirar outras equipes a criar fotodetectores semelhantes usando 2D materiais em camadas.
“As novas heteroestruturas de barreira unipolar vdW propostas representam um avanço tecnológico fundamental para a transição do 'laboratório para a fábrica' de materiais bidimensionais no campo de aplicações de infravermelho, como sensoriamento remoto e imagem infravermelha”, disseram os pesquisadores. “Com base em pesquisas anteriores, a otimização da nova estrutura, matriz de plano focal infravermelho escalonável (FPA) e aplicações funcionais, como detecção de banda dupla e imagem infravermelha de polarização são os nossos seguintes alvos.