fotodetector de avalancha infrarrojo de bajo umbral

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El fotodetector de avalancha infrarrojo (fotodetector APD) es una clase dedispositivos fotoeléctricos semiconductoresque generan una alta ganancia mediante el efecto de ionización por colisión, logrando así la detección de pocos fotones o incluso fotones individuales. Sin embargo, en las estructuras convencionales de fotodetectores APD, el proceso de dispersión de portadores fuera del equilibrio provoca pérdidas de energía, por lo que el voltaje umbral de avalancha suele requerir valores de 50 a 200 V. Esto impone mayores exigencias al voltaje de accionamiento del dispositivo y al diseño del circuito de lectura, incrementando los costos y limitando su aplicación a gran escala.

Recientemente, investigaciones chinas han propuesto una nueva estructura de detector de infrarrojo cercano por avalancha con un bajo voltaje umbral de avalancha y alta sensibilidad. Basado en la homounión autodopada de capa atómica, este fotodetector de avalancha resuelve el problema de la dispersión perjudicial inducida por defectos en la interfaz, inevitable en las heterouniones. Asimismo, el intenso campo eléctrico local, generado por la ruptura de la simetría de traslación, se utiliza para potenciar la interacción coulombiana entre portadores, suprimir la dispersión dominada por modos fonónicos fuera del plano y lograr una alta eficiencia de duplicación de portadores en desequilibrio. A temperatura ambiente, la energía umbral se aproxima al límite teórico Eg (donde Eg es la banda prohibida del semiconductor) y la sensibilidad de detección del detector de avalancha infrarrojo alcanza los 10 000 fotones.

Este estudio se basa en la homounión de diselenuro de tungsteno (WSe₂) autodopado a nivel de capa atómica (calcogenuro de metal de transición bidimensional, TMD) como medio de ganancia para avalanchas de portadores de carga. La ruptura de la simetría de traslación espacial se logra mediante el diseño de una mutación topográfica escalonada para inducir un fuerte campo eléctrico local en forma de pico en la interfaz de la homounión mutante.

Además, el espesor atómico puede suprimir el mecanismo de dispersión dominado por el modo fonónico y lograr la aceleración y multiplicación de portadores fuera del equilibrio con pérdidas muy bajas. Esto acerca la energía umbral de avalancha a temperatura ambiente al límite teórico, es decir, la banda prohibida del material semiconductor (Eg). El voltaje umbral de avalancha se redujo de 50 V a 1,6 V, lo que permitió a los investigadores utilizar circuitos digitales de bajo voltaje ya consolidados para controlar la avalancha.fotodetectorAdemás de los diodos y transistores de control, este estudio logra la conversión y utilización eficientes de la energía de portadores fuera del equilibrio mediante el diseño de un efecto de multiplicación por avalancha de bajo umbral, lo que ofrece una nueva perspectiva para el desarrollo de la próxima generación de tecnología de detección infrarroja por avalancha de alta sensibilidad, bajo umbral y alta ganancia.