Fotodetector infrarrojo autoalimentado de alto rendimiento

Alto rendimiento autopropulsadofotodetector infrarrojo

infrarrojofotodetectorPosee características como una gran capacidad antiinterferencias, una alta capacidad de reconocimiento de objetivos, funcionamiento en cualquier condición climática y un buen camuflaje. Desempeña un papel cada vez más importante en campos como la medicina, el sector militar, la tecnología espacial y la ingeniería ambiental. Entre ellos, destaca el sistema autónomo.detección fotoeléctricaLos chips que pueden funcionar de forma independiente sin una fuente de alimentación externa adicional han atraído gran atención en el campo de la detección infrarroja debido a su rendimiento excepcional (como la independencia energética, la alta sensibilidad y la estabilidad). En contraste, los chips de detección fotoeléctrica tradicionales, como los chips infrarrojos basados ​​en silicio o semiconductores de banda prohibida estrecha, no solo requieren tensiones de polarización adicionales para separar los portadores fotogenerados y producir fotocorrientes, sino que también necesitan sistemas de refrigeración adicionales para reducir el ruido térmico y mejorar la capacidad de respuesta. Por lo tanto, resulta difícil satisfacer los nuevos conceptos y requisitos de la próxima generación de chips de detección infrarroja, como el bajo consumo de energía, el tamaño reducido, el bajo costo y el alto rendimiento.

Recientemente, equipos de investigación de China y Suecia han propuesto un novedoso chip de detección fotoeléctrica infrarroja de onda corta (SWIR) autoalimentado con heterounión PIN, basado en películas de nanorribones de grafeno (GNR)/alúmina/silicio monocristalino. Gracias al efecto combinado de la modulación óptica inducida por la interfaz heterogénea y el campo eléctrico interno, el chip demostró un rendimiento de respuesta y detección ultrarrápido a voltaje cero. El chip de detección fotoeléctrica presenta una tasa de respuesta de hasta 75,3 A/W en modo autoalimentado, una tasa de detección de 7,5 × 10¹⁴ Jones y una eficiencia cuántica externa cercana al 104%, mejorando el rendimiento de detección de chips similares basados ​​en silicio en siete órdenes de magnitud, un récord histórico. Además, en el modo de accionamiento convencional, la tasa de respuesta, la tasa de detección y la eficiencia cuántica externa del chip alcanzan los 843 A/W, 10¹⁵ Jones y 105%, respectivamente, los valores más altos reportados hasta la fecha. Mientras tanto, esta investigación también demostró la aplicación en el mundo real del chip de detección fotoeléctrica en los campos de la comunicación óptica y la imagen infrarroja, destacando su enorme potencial de aplicación.

Para estudiar sistemáticamente el rendimiento fotoeléctrico del fotodetector basado en nanorribones de grafeno/Al₂O₃/silicio monocristalino, los investigadores analizaron sus respuestas características estáticas (curva corriente-voltaje) y dinámicas (curva corriente-tiempo). Para evaluar sistemáticamente las características de respuesta óptica del fotodetector de heteroestructura de nanorribones de grafeno/Al₂O₃/silicio monocristalino bajo diferentes voltajes de polarización, midieron la respuesta de corriente dinámica del dispositivo a 0 V, -1 V, -3 V y -5 V, con una densidad de potencia óptica de 8,15 μW/cm². La fotocorriente aumenta con la polarización inversa y muestra una respuesta rápida a todos los voltajes de polarización.

Finalmente, los investigadores fabricaron un sistema de imagen y lograron obtener imágenes de infrarrojo de onda corta de forma autónoma. El sistema funciona sin polarización y no consume energía. La capacidad de imagen del fotodetector se evaluó utilizando una máscara negra con el patrón de la letra «T» (como se muestra en la figura 1).

En conclusión, esta investigación logró fabricar con éxito fotodetectores autoalimentados basados ​​en nanorribones de grafeno y alcanzó una tasa de respuesta récord. Asimismo, los investigadores demostraron con éxito las capacidades de comunicación óptica e imagen de este dispositivo.fotodetector de alta sensibilidadEste logro de investigación no solo proporciona un enfoque práctico para el desarrollo de nanorribones de grafeno y dispositivos optoelectrónicos basados ​​en silicio, sino que también demuestra su excelente rendimiento como fotodetectores infrarrojos de onda corta autoalimentados.