Hoogleraren Hu Weida en Peng Hailin, twee onderzoekers van het Shanghai Institute of Technical Physics en de Universiteit van Peking, hebben onlangs van der Waals-heterostructuren voor momentum-matching en band-alignment voorgesteld om de lage QE van infraroodfotodetectoren van 2D-materialen op te lossen. De resultaten zijn gepubliceerd in Science Advances , getiteld "Momentum-matching en band-alignment van der Waals heterostructuren voor zeer efficiënte infrarood fotodetectie."

Infraroodfotodetectoren met een hoge kwantumefficiëntie (QE) kunnen worden gebruikt voor detectie van ultrazwak licht en kwantumcommunicatie. QE wordt echter grotendeels beperkt door het absorptievermogen en defect-recombinatie van infraroodabsorbers, evenals de verzameling van de fotogegenereerde drager, wat de fabricage en verdere ontwikkeling van infraroodfotodetectoren met een hoge QE ernstig belemmert. Dientengevolge hebben direct-bandgap halfgeleiders met een hoog foto-elektrisch conversierendement altijd de voorkeur. Technologische nadelen zoals dure groeiprocessen, cryogene werkomstandigheden en toxische elementen beperken echter nog steeds de groeiende toepassingsruimte van conventionele materialen. Bovendien is het nog steeds een uitdaging om te voldoen aan de vereisten van zowel roosteraanpassing als banduitlijning in heterojunctie-bouwstenen op basis van conventionele bulkmaterialen.

Tweedimensionale (2D) gelaagde materialen bieden nieuwe mogelijkheden voor infrarooddetectietechnologie omdat ze van nature gepassiveerde oppervlakken hebben en kunnen worden gestapeld in van der Waals (vdW) heterostructuren zonder verdere overweging van roosteraanpassing. 2D vdW-fotodetectoren hebben echter ernstige last van een lage QE vanwege hun atomair dunne karakter. Van verschillende strategieën, waaronder optische golfgeleiders, optische resonatoren en oppervlakteplasmonen, is aangetoond dat ze de QE in 2D-fotodetectoren verbeteren, maar dit gaat ten koste van het integratieniveau van het apparaat en de smalle spectrale respons.

De momentum-matching vdW-heterostructuren kunnen tussenlaagovergangen ondersteunen die direct in k-ruimte zijn, ongeacht directe of indirecte bandgap-halfgeleiders, waarbij het valentiebandmaximum (VBM) van een halfgeleider en het geleidingsbandminimum (CBM) van een ander zijn gecentreerd op de k-ruimte in de Brillouin-zone. "Daarom kunnen de momentum-matchende vdW-heterostructuren niet alleen de generatiesnelheid van fotodragers verbeteren, maar mogelijk ook de spectrale respons verbreden," zei Hu.

Het kan ook de interface-recombinatie verminderen met lage rooster-mismatching verstrooiing en defectvrije onzuiverheden. Belangrijk is dat voor infraroodfotodetectie rationele banduitlijningen erg belangrijk zijn voor het bereiken van een hoge QE door de generatie te optimaliseren, de recombinatie te onderdrukken en de verzameling van fotodragers te verbeteren. De type II band-uitlijningsstructuur zonder potentiële barrières voor elektronen en gaten is wenselijk.

Het valentieband maximum van 2D zwarte fosfor (BP) en het geleidingsband minimum van 2D Bi₂ O₂ Se bevinden zich op hetzelfde Г-punt, zoals weergegeven in figuur 1a. De dragers op het grensvlak kunnen worden gestimuleerd in de geleidingsbanden van BP en Bi₂ O₂ Se, wat de overgang en generatie van de fotodragers aanzienlijk verbetert. De door foto gegenereerde elektronen en gaten zien geen potentiële barrières en kunnen efficiënt worden verzameld in type II BP/Bi₂ O₂ Se vdW heterojunctie, weergegeven in figuur 1b. Uiteindelijk is de kamertemperatuur QE (84% bij 1,3 m en 76,5% bij 2 μm) van de BP/Bi₂ O₂ Se apparaat werden bereikt, die hoger zijn dan de meeste gerapporteerde 2D-gebaseerde apparaten en zelfs vergelijkbaar met commercieel state-of-the-art infrarood fotodetectoren bij nul bias, zoals weergegeven in figuur 1C. Deze hoge QE wordt veroorzaakt door de hoge absorptiecoëfficiënt, het vrije barrièrebandtransport en de detectievrije interfaces. Bovendien is de polarisatieverhouding van de BP/Bi₂ O₂ Se-apparaat op 2 m is maximaal 17, zoals weergegeven in figuur 1d. Dit is ook superieur aan de meeste fotodetectoren die zijn gebaseerd op gepolariseerde materialen of antenne-ondersteunde structuren in het kortegolf-infraroodgebied. + Verder verkennen

Onderzoekers creëren unipolaire barrière fotodetectoren op basis van 2D gelaagde materialen