גלאי פוטו דו-ממדי דו-קוטבי למפולות מפולת

דו-ממדי דו-קוטביגלאי פוטו של מפולת שלגים

גלאי פוטו דו-ממדי דו-קוטבי של מפולת שלגים (גלאי פוטו APD) משיג רעש נמוך במיוחד וזיהוי רגישות גבוהה

לגילוי רגישות גבוהה של פוטונים מעטים או אפילו פוטונים בודדים יש פוטנציאל יישום חשוב בתחומים כמו דימות אור חלש, חישה מרחוק וטלמטריה, ותקשורת קוונטית. ביניהם, גלאי הפוטו-מפולת שלגים (APD) הפך לכיוון חשוב בתחום מחקר התקנים אופטו-אלקטרוניים בשל מאפייניו של גודל קטן, יעילות גבוהה ושילוב קל. יחס אות לרעש (SNR) הוא אינדיקטור חשוב לגלאי פוטו-אלקטרוניקה APD, הדורש הגבר גבוה וזרם חושך נמוך. המחקר על צומתים הטרו-אלקטרוניים של ואן דר ואלס בחומרים דו-ממדיים (2D) מראה פוטנציאל רחב בפיתוח APD בעלי ביצועים גבוהים. חוקרים מסין בחרו בחומר מוליך למחצה דו-ממדי דו-קוטבי WSe₂ כחומר רגיש לאור וגלאי פוטו-אלקטרוניקה APD הוכן בקפידה עם מבנה Pt/WSe₂/Ni בעל פונקציית העבודה המתאימה ביותר, על מנת לפתור את בעיית רעש ההגבר הטבועה בגלאי פוטו-אלקטרוניקה APD מסורתי.

צוות המחקר הציע גלאי פוטו-מפולות המבוסס על מבנה Pt/WSe₂/Ni, אשר השיג זיהוי רגיש ביותר של אותות אור חלשים ביותר ברמת fW בטמפרטורת החדר. הם בחרו בחומר מוליך למחצה דו-ממדי WSe₂, בעל תכונות חשמליות מצוינות, ושילבו חומרי אלקטרודה של Pt ו-Ni כדי לפתח בהצלחה סוג חדש של גלאי פוטו-מפולות. על ידי אופטימיזציה מדויקת של התאמת פונקציית העבודה בין Pt, WSe₂ ו-Ni, תוכנן מנגנון הובלה שיכול לחסום ביעילות נושאי מטען כהים תוך מתן אפשרות סלקטיבית לוואי מטען שנוצרו באמצעות אור. מנגנון זה מפחית משמעותית את הרעש המוגזם הנגרם כתוצאה מיינון פגיעת נושאי מטען, ומאפשר לגלאי הפוטו-מפולות להשיג זיהוי אותות אופטי רגיש ביותר ברמת רעש נמוכה ביותר.

לאחר מכן, על מנת להבהיר את המנגנון העומד מאחורי אפקט המפולת הנגרמת על ידי השדה החשמלי החלש, החוקרים העריכו בתחילה את התאימות של פונקציות העבודה הטבועות של מתכות שונות עם WSe₂. סדרה של התקני מתכת-מוליך למחצה-מתכת (MSM) עם אלקטרודות מתכת שונות יוצרו ונערכו עליהם בדיקות רלוונטיות. בנוסף, על ידי הפחתת פיזור נושאי מטען לפני תחילת המפולת, ניתן למתן את האקראיות של יינון הפגיעה, ובכך להפחית את הרעש. לכן, נערכו בדיקות רלוונטיות. כדי להדגים עוד יותר את עליונותו של APD Pt/WSe₂/Ni מבחינת מאפייני תגובת זמן, החוקרים העריכו עוד את רוחב הפס של -3 dB של המכשיר תחת ערכי הגבר פוטואלקטרי שונים.

תוצאות הניסוי מראות שגלאי Pt/WSe₂/Ni מציג הספק שווה ערך לרעש (NEP) נמוך במיוחד בטמפרטורת החדר, העומד על 8.07 fW/√Hz בלבד. משמעות הדבר היא שהגלאי יכול לזהות אותות אופטיים חלשים ביותר. בנוסף, מכשיר זה יכול לפעול ביציבות בתדר אפנון של 20 קילו-הרץ עם הגבר גבוה של 5×10⁵, ובכך לפתור בהצלחה את צוואר הבקבוק הטכני של גלאים פוטו-וולטאיים מסורתיים שקשה לאזן ביניהם הגבר גבוה ורוחב פס. תכונה זו צפויה לספק לו יתרונות משמעותיים ביישומים הדורשים הגבר גבוה ורעש נמוך.

מחקר זה מדגים את התפקיד המכריע של הנדסת חומרים ואופטימיזציה של ממשק בשיפור הביצועים שלגלאי צילוםבאמצעות תכנון גאוני של אלקטרודות וחומרים דו-ממדיים, הושג אפקט מיגון של נושאי גל כהים, מה שמפחית משמעותית את הפרעות הרעש ומשפר עוד יותר את יעילות הגילוי.

ביצועיו של גלאי זה אינם באים לידי ביטוי רק במאפיינים הפוטואלקטריים, אלא גם בעל פוטנציאל יישום רחב. הודות לחסימתו היעילה של זרם כהה בטמפרטורת החדר וספיגתו היעילה של נושאי גל אור, גלאי זה מתאים במיוחד לגילוי אותות אור חלשים בתחומים כמו ניטור סביבתי, תצפית אסטרונומית ותקשורת אופטית. הישג מחקרי זה לא רק מספק רעיונות חדשים לפיתוח גלאי פוטואלקטרוניקה בעלי מימד נמוך, אלא גם מציע הפניות חדשות למחקר ופיתוח עתידיים של התקנים אופטואלקטרוניים בעלי ביצועים גבוהים ובעלי צריכת אנרגיה נמוכה.