Высокий темновой ток может значительно ухудшить работу инфракрасных фотоприемников, устройств, которые могут обнаруживать фотоны в форме инфракрасного излучения. В течение многих лет в большинстве решений для блокировки темнового тока использовалось электрическое поле внутри детекторов.
Исследователи Китайской академии наук недавно разработали альтернативное решение для подавления темнового тока в фотодетекторах, основанное на использовании гетероструктур Ван-дер-Ваальса (vdW). Они представили однополярные барьерные фотоприемники видимого и средневолнового инфракрасного диапазона, изготовленные на основе полосовых гетероструктур ВДВ.
«Поскольку Bell Labs выпустила процессор на основе Si, ПН-переход В 1935 году использование встроенного электрического поля в области истощения стало основным техническим способом блокировки темнового тока. В традиционных инфракрасных фотодетекторах с ПН-переходом высокая рекомбинация Шокли-Рид-Холла (SRH) и поверхностная рекомбинация в области истощения серьезно ограничивают подавление темнового тока. В ответ на эти проблемы инженеры представили новую структуру устройства за пределами PN-перехода, а именно униполярную барьерную структуру.
Ключевая идея, лежащая в основе однополярных барьерных гетероструктур vdW, может быть использована для подавления темнового тока внутри фотоприемников. Фактически, блокируя основные носители, эти структуры могут в конечном итоге позволить инфракрасным фотодетекторам работать при высоких температурах, достигая замечательных характеристик.
«Предлагаемые новые гетероструктуры с однополярным барьером vdW могут стать решением проблемы узкого места темнового тока в инфракрасных фотодетекторах и еще больше улучшить характеристики инфракрасных фотодетекторов», - заявили исследователи. «В конце концов, они могли бы таким образом облегчить переход« из лаборатории в производство »двумерных (2D) материалов в инфракрасных приложениях».
В последнее время все больше исследователей начали разрабатывать и использовать фотодетекторы с униполярными барьерными структурами (обычно гетероструктуры nBn и pBp) для подавления темнового тока и обеспечения работы при высоких температурах. Эти барьерные слои могут блокировать темновой ток, но они позволяют фототоку свободно течь.
«В случае nBn барьер зоны проводимости может эффективно блокировать движение электронов от контактного слоя к поглощающему слою и значительно ослаблять поверхностный ток», - пояснили исследователи. «В то же время распределение обедненной области близко к широкозонному барьерному слою, что снижает ток SRH. Кроме того, с уменьшением концентрации носителей в поглощающем слое можно эффективно подавить оже-рекомбинацию, которая определяет горячий шум ».
При разработке барьерного слоя внутри фотоприемников инженеры должны учитывать такие характеристики, как выравнивание полос и согласование решеток. Таким образом, фотодетекторы с однополярным барьером vdW могут быть изготовлены из двумерных (2D) материалов, что позволяет избежать рассогласования решеток и дефектов интерфейса, связанных с естественно самопассивируемыми поверхностями. Удобно, что 2D-материалы также имеют перестраиваемые по слою структуры полос, которые могут быть научно спроектированы и сложены для создания выравнивания полос nBn или pBp.
«Униполярные барьеры могут эффективно подавлять темновой ток за счет создания барьерного слоя с большой шириной запрещенной зоны», - говорят исследователи. «Таким образом, фотодетекторы с однополярным барьером могут работать при более высоких температурах, чем pn переход, с тем же темновым током или иметь более высокие характеристики при той же температуре».
Исследователи и их коллеги первыми реализовали однополярные барьерные фотоприемники wdW на основе двумерных слоистых материалов. Кроме того, они провели систематический анализ составляющих темнового тока в униполярных барьерных структурах.
В будущем фотодетекторы, созданные этой группой исследователей, можно будет использовать для улучшения некоторых устройств считывания и обработки изображений. Более того, их работа может вдохновить другие команды на создание подобных фотоприемников с использованием 2D слоистые материалы.
«Предложенные новые однополярные барьерные гетероструктуры vdW являются ключевым технологическим прорывом в переходе от« лаборатории к производству »двумерных материалов в области инфракрасных приложений, таких как дистанционное зондирование и формирование изображений в инфракрасном диапазоне», - заявили исследователи. «Основываясь на предыдущих исследованиях, наша следующая цель - оптимизация новой структуры, масштабируемая матрица инфракрасной фокальной плоскости (FPA) и функциональные приложения, такие как двухдиапазонное обнаружение и поляризационная инфракрасная визуализация».