Matalan kynnyksen infrapunalumivyöryvaloilmaisin
Infrapuna-lumivyöryvalodetektori (APD-valoilmaisin) on luokkapuolijohdevalosähköiset laitteetjotka tuottavat suuren vahvistuksen törmäysionisaatiovaikutuksen kautta, jolloin voidaan havaita vain muutama fotoni tai jopa yksittäisiä fotoneja. Perinteisissä APD-fotodetektorirakenteissa epätasapainossa olevan varauksenkuljettajien sirontaprosessi johtaa kuitenkin energiahäviöön, joten lumivyörykynnysjännitteen on yleensä saavutettava 50–200 V. Tämä asettaa suurempia vaatimuksia laitteen käyttöjännitteelle ja lukupiirin suunnittelulle, mikä lisää kustannuksia ja rajoittaa laajempia sovelluksia.
Kiinalainen tutkimus on äskettäin ehdottanut uutta lumivyörylä-infrapunailmaisimen rakennetta, jolla on alhainen lumivyöryn kynnysjännite ja korkea herkkyys. Atomikerroksen itsedoping-homoliitokseen perustuva lumivyöryfotoilmaisin ratkaisee rajapintavirhetilan aiheuttaman haitallisen sironnan, jota heteroliitoksessa ei voida välttää. Samaan aikaan translaatiosymmetrian rikkoutumisen aiheuttamaa voimakasta paikallista "huippu"-sähkökenttää käytetään parantamaan varauksenkuljettajien välistä Coulombin vuorovaikutusta, vaimentamaan tasosta poikkeavan fononimoodin hallitsemaa sirontaa ja saavuttamaan epätasapainossa olevien varauksenkuljettajien korkea kaksinkertaistumistehokkuus. Huoneenlämpötilassa kynnysenergia on lähellä teoreettista rajaa Eg (Eg on puolijohteen energiaväli) ja infrapunalumivyöilmaisimen herkkyys on jopa 10 000 fotonia.
Tämä tutkimus perustuu atomikerroksen itse-dopatun volframidiselenidi (WSe₂) homoliitoksen (kaksiulotteinen siirtymämetallikalkogenidi, TMD) käyttöön vahvistusväliaineena varauksenkuljettajien lumivyöryissä. Spatiaalinen translaatiosymmetrian rikkominen saavutetaan suunnittelemalla topografinen askelmutaatio, joka indusoi voimakkaan paikallisen "piikki"-sähkökentän mutanttihomoliliitoksen rajapinnalle.
Lisäksi atomin paksuus voi estää fononimoodin hallitseman sirontamekanismin ja toteuttaa epätasapainossa olevan varauksenkuljettajan kiihtyvyys- ja kertolaskuprosessin erittäin pienillä häviöillä. Tämä tuo lumivyörykynnysenergian huoneenlämmössä lähelle teoreettista rajaa eli puolijohdemateriaalin kaista-aukkoa, esim. Lumivyörykynnysjännitettä laskettiin 50 V:sta 1,6 V:iin, minkä ansiosta tutkijat pystyivät käyttämään kypsiä matalajännitteisiä digitaalipiirejä lumivyöryn ohjaamiseen.valoilmaisinsekä käyttödiodeja ja transistoreita. Tässä tutkimuksessa toteutetaan epätasapainossa olevan varauksenkuljettajan energian tehokas muuntaminen ja hyödyntäminen matalan kynnyksen lumivyörykerroinefektin suunnittelun avulla, mikä tarjoaa uuden näkökulman seuraavan sukupolven erittäin herkän, matalan kynnyksen ja suuren vahvistuksen lumivyöryinfrapunailmaisuteknologian kehittämiselle.
Julkaisuaika: 16.4.2025