Hoge niveaus van donkerstroom en ruis zijn al jaren een probleem voor metaal-halfgeleider-metaal (MSM) fotodetectoren. Onlangs, wetenschappers in China hebben aangetoond dat door conventionele metalen te vervangen door MXene, de donkerstroom en ruis van MSM-fotodetectoren met meerdere kwantumbronnen kunnen aanzienlijk worden verbeterd.

De verspreiding van het Internet of Things (IoT) heeft geleid tot een intense interesse van fotodetectoren (PD), omdat ze veel worden gebruikt bij het detecteren, detectie, gegevenstransport en -verwerking. Het komende 5G-enabled IoT (5G-IoT) vereist nieuwe prestatiecriteria zoals enorme connectiviteit, ultralage latentie en ultrabetrouwbaarheid voor een groot aantal IoT-apparaten. Om aan deze eisen te voldoen, metaal-halfgeleider-metaal (MSM) fotodetectoren hebben veel aandacht gekregen vanwege hun hoge reactiesnelheid, eenvoudig fabricageproces en haalbaarheid van integratie met veldeffecttransistor (FET) technologie.

Echter, het conventionele fabricageproces zal leiden tot chemische wanorde en defecte toestanden op de metaal-halfgeleiderinterfaces, wat leidt tot aanzienlijke donkerstroom en ruis. Aanvullend, ondoorzichtige metalen worden meestal bovenop het actieve lichtabsorptiegebied geplaatst, die een deel van het invallende licht zal reflecteren en zo de responsiviteit van MSM-fotodetectoren zal verminderen.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassing , een team van wetenschappers onder leiding van professor Jiang Wu van het Institute of Fundamental and Frontier Sciences, University of Electronic Science and Technology of China heeft een hoogwaardige, op MXene-GaN-MXene gebaseerde fotodetector met meerdere kwantumputjes gedemonstreerd, bereid op een saffiersubstraat met een patroon door eenvoudig druppelgieten.

MXene, een nieuw type tweedimensionale (2D) materialen ontdekt in 2011, heeft veel charmante eigenschappen, zoals metalen geleidbaarheid, mechanische flexibiliteit, hydrofilie, goede doorlaatbaarheid en chemische stabiliteit, waardoor MXene bij lage temperaturen en onder omgevingsomstandigheden in oplossing kan worden verwerkt. Aanvullend, de breed afstembare werkfunctie maakt MXene een geweldige kandidaat voor ohmse of Schottky-contacten met verschillende halfgeleidermaterialen. Belangrijker, 2D-materialen bestaan ​​uit covalent gebonden atomaire lagen in het vlak die zwak met elkaar interageren in de richting buiten het vlak. Wanneer gedeponeerd op bulk halfgeleidermaterialen, MXene-halfgeleider van der Waals-juncties gevormd op het grensvlak zijn vrij van chemische wanorde en hebben minder defecte toestanden, wat het Fermi-niveau-pinning-effect zou kunnen vermijden en de omgekeerde tunnelstromen zou kunnen verminderen.

De door Jiang et al voorgestelde meervoudige kwantumbronfotodetector werd gekweekt op het van een patroon voorziene saffiersubstraat, die de epitaxiale laterale overgroei (ELOG) -modus kan bevorderen en bijgevolg de defectdichtheid in GaN-epilagen kan verminderen en het MXene werd gebruikt om de conventionele metalen te vervangen, Au/Kr. De op MXene-GaN-MXene gebaseerde fotodetector met meerdere kwantumputjes vertoonde een aanzienlijk verbeterde responsiviteit, donkerstroom en ruis in het blauw-groene lichtspectrumbereik in vergelijking met de conventionele tegenhanger, waardoor het een potentiële kandidaat is voor optische detectie en communicatie onder water. De verbeteringen werden toegeschreven aan de low-defect MXene-GaN van der Waals-interfaces. interessanter, dankzij de hoogwaardige MXene-GaN van der Waals knooppunten, die de donkerstroom en ruis kan onderdrukken en daarom kleine ruimtelijke variaties van de fotostroom onderscheidt in de orde van nanoampère, de gelokaliseerde lichtfocussering en verbetering door het van een patroon voorziene saffiersubstraat werden waargenomen.