Yüksek karanlık akımı, kızılötesi radyasyon formundaki fotonları tespit edebilen cihazlar olan kızılötesi fotodetektörlerin performansını önemli ölçüde bozabilir. Uzun yıllar boyunca karanlık akımı engellemeye yönelik çoğu çözüm, dedektörlerin içindeki elektrik alanını kullandı.
Çin Bilimler Akademisi'ndeki araştırmacılar yakın zamanda fotodetektörlerdeki karanlık akımı bastırmak için van der Waals (vdW) heteroyapılarının kullanımına dayanan alternatif bir çözüm geliştirdiler. Bant mühendisliğiyle üretilmiş vdW heteroyapılarından yapılmış görünür ve orta dalga boylu kızılötesi tek kutuplu bariyer fotodetektörlerini sundular.
"Bell Laboratuarları Si tabanlıyı ürettiğinden beri Pn kavşağı 1935 yılında, tükenme bölgesindeki yerleşik elektrik alanını kullanmak, karanlık akımı engellemenin ana teknik yolu haline geldi. Geleneksel PN bağlantısal kızılötesi fotodetektörlerde, yüksek Shockley-okuma-Hall (SRH) rekombinasyonu ve tükenme bölgesindeki yüzey rekombinasyonu, karanlık akımın bastırılmasını ciddi şekilde sınırlar. Bu sorunlara yanıt olarak mühendisler, PN bağlantısının ötesinde yeni bir cihaz yapısı olan tek kutuplu bariyer yapısını tanıttı.
VdW tek kutuplu bariyer heteroyapılarının ardındaki temel fikir, fotodetektörlerin içindeki karanlık akımı bastırmak için kullanılabilir. Aslında bu yapılar, çoğunluk taşıyıcılarını bloke ederek kızılötesi fotodetektörlerin yüksek sıcaklıklarda çalışmasına ve olağanüstü performanslar elde etmesine olanak tanıyabilir.
Araştırmacılar, "Önerilen yeni vdW tek kutuplu bariyer heteroyapıları, kızılötesi fotodetektörlerdeki karanlık akım darboğazına bir çözüm olabilir ve kızılötesi fotodetektörlerin performansını daha da artırabilir" dedi. "Sonunda, kızılötesi uygulamalarda iki boyutlu (2D) malzemelerin 'laboratuvardan fabrikaya' geçişini kolaylaştırabilirler."
Son zamanlarda, daha fazla araştırmacı, karanlık akımı bastırmak ve yüksek sıcaklıklarda çalışmayı mümkün kılmak için tek kutuplu bariyer yapılarına (tipik olarak nBn ve pBp heteroyapıları) sahip fotodedektörler tasarlamaya ve kullanmaya başladı. Bu bariyer katmanları karanlık akımı engelleyebilir ancak foto akımının serbestçe akmasına izin verir.
Araştırmacılar, "nBn durumunda, iletim bandı bariyeri, elektronların temas katmanından soğurma katmanına hareketini etkili bir şekilde engelleyebilir ve yüzey akımını büyük ölçüde zayıflatabilir" diye açıkladı. “Aynı zamanda tükenme bölgesinin dağılımı geniş bant aralıklı bariyer katmanına yakın, bu da SRH akımını azaltıyor. Ayrıca soğurma katmanındaki taşıyıcı konsantrasyonunun azalmasıyla birlikte sıcak gürültüyü belirleyen Auger rekombinasyonu etkili bir şekilde bastırılabiliyor.”
Mühendisler, fotodetektörlerin içindeki bariyer katmanını tasarlarken bant hizalaması ve kafes uyumu gibi özellikleri dikkate almalıdır. Böylece vdW tek kutuplu bariyere sahip fotodetektörler, doğal olarak kendiliğinden pasifleşen yüzeylerle ilişkili kafes uyumsuzluğunu ve arayüz kusurlarını önleyen iki boyutlu (2D) malzemelerden yapılabilir. Uygun bir şekilde, 2 boyutlu malzemeler aynı zamanda nBn veya pBp bant hizalamalarını oluşturmak için bilimsel olarak tasarlanabilen ve istiflenebilen, katmanla ayarlanabilir bant yapılarına da sahiptir.
Araştırmacılar, "Tek kutuplu bariyerler, geniş bir bant aralığı bariyer katmanı oluşturarak karanlık akımı etkili bir şekilde bastırabilir" dedi. "Böylece, tek kutuplu bariyer fotodetektörleri, aynı karanlık akıma sahip bir pn bağlantısından daha yüksek bir sıcaklıkta çalışabilir veya aynı sıcaklıkta daha yüksek performansa sahip olabilir."
Araştırmacılar ve meslektaşları, 2 boyutlu katmanlı malzemelere dayanan wdW tek kutuplu bariyer fotodetektörlerini ilk gerçekleştirenler oldu. Ayrıca tek kutuplu bariyer yapılarında karanlık akım bileşenlerinin sistematik bir analizini yaptılar.
Gelecekte, bu araştırmacı ekibi tarafından oluşturulan fotodetektörler, çeşitli algılama ve görüntüleme cihazlarını geliştirmek için kullanılabilir. Dahası, onların çalışmaları diğer ekiplere benzer fotodetektörler oluşturma konusunda ilham verebilir. 2D katmanlı malzemeler.
Araştırmacılar, "Önerilen yeni vdW tek kutuplu bariyer heteroyapıları, uzaktan algılama ve kızılötesi görüntüleme gibi kızılötesi uygulamalar alanında iki boyutlu malzemelerin 'laboratuardan fabrikaya' geçişinde önemli bir teknolojik atılım yapıyor" dedi. "Önceki araştırmalara dayanarak, yeni yapı optimizasyonu, ölçeklenebilir kızılötesi odak düzlemi dizisi (FPA) ve çift bantlı algılama ve polarizasyonlu kızılötesi görüntüleme gibi işlevsel uygulamalar aşağıdaki hedeflerimizdir."