Fotodetector de avalancha infrarrojo de bajo umbral

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El fotodetector de avalancha infrarrojo (fotodetector APD) es una clase dedispositivos fotoeléctricos semiconductoresque producen una alta ganancia mediante el efecto de ionización por colisión, para lograr la capacidad de detección de pocos fotones o incluso fotones individuales. Sin embargo, en las estructuras de fotodetectores APD convencionales, el proceso de dispersión de portadores fuera del equilibrio provoca una pérdida de energía, de modo que el voltaje umbral de avalancha generalmente debe alcanzar los 50-200 V. Esto impone mayores exigencias al voltaje de control del dispositivo y al diseño del circuito de lectura, lo que aumenta los costos y limita su aplicación.

Recientemente, una investigación china ha propuesto una nueva estructura de detector de infrarrojo cercano por avalancha con bajo voltaje umbral de avalancha y alta sensibilidad. Basado en la homounión auto-dopada de capa atómica, el fotodetector de avalancha resuelve la dispersión dañina inducida por el estado de defecto de interfaz, inevitable en la heterounión. Al mismo tiempo, el fuerte campo eléctrico local de "pico" inducido por la ruptura de la simetría de traslación se utiliza para mejorar la interacción de Coulomb entre portadores, suprimir la dispersión dominada por el modo fonónico fuera del plano y lograr una alta eficiencia de duplicación de portadores fuera del equilibrio. A temperatura ambiente, la energía umbral se aproxima al límite teórico Eg (Eg es la banda prohibida del semiconductor) y la sensibilidad de detección del detector de avalancha infrarrojo alcanza el nivel de 10 000 fotones.

Este estudio se basa en una homounión de diselenuro de tungsteno (WSe₂) auto-dopada por capas atómicas (calcogenuro de metal de transición bidimensional, TMD) como medio de ganancia para avalanchas de portadores de carga. La ruptura de la simetría traslacional 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 el proceso de 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 permite a los investigadores utilizar circuitos digitales de bajo voltaje maduros para controlar la avalancha.fotodetectorasí como diodos y transistores de control. Este estudio logra la conversión y utilización eficiente de la energía de portadores en desequilibrio 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.