Bộ tách sóng quang hồng ngoại ngưỡng thấp

hồng ngoại ngưỡng thấpmáy dò quang điện thác lũ

Bộ tách sóng quang học hồng ngoại (bộ tách sóng quang APD) là một lớpthiết bị quang điện bán dẫnCác thiết bị này tạo ra độ khuếch đại cao thông qua hiệu ứng ion hóa do va chạm, nhằm đạt được khả năng phát hiện một vài photon hoặc thậm chí là photon đơn lẻ. Tuy nhiên, trong các cấu trúc bộ tách sóng quang APD thông thường, quá trình tán xạ hạt tải không cân bằng dẫn đến mất năng lượng, do đó điện áp ngưỡng thác thường cần đạt 50-200 V. Điều này đặt ra yêu cầu cao hơn đối với điện áp điều khiển của thiết bị và thiết kế mạch đọc, làm tăng chi phí và hạn chế ứng dụng rộng rãi hơn.

Gần đây, các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã đề xuất một cấu trúc mới cho bộ детеctor hồng ngoại gần kiểu thác lũ với điện áp ngưỡng thác lũ thấp và độ nhạy cao. Dựa trên cấu trúc đồng pha tự pha tạp của lớp nguyên tử, bộ детеctor quang kiểu thác lũ giải quyết được hiện tượng tán xạ có hại do trạng thái khuyết tật giao diện gây ra, điều không thể tránh khỏi trong cấu trúc dị thể. Đồng thời, điện trường “đỉnh” cục bộ mạnh do sự phá vỡ đối xứng tịnh tiến được sử dụng để tăng cường tương tác Coulomb giữa các hạt tải điện, triệt tiêu sự tán xạ do chế độ phonon ngoài mặt phẳng chi phối và đạt được hiệu suất nhân đôi cao của các hạt tải điện không cân bằng. Ở nhiệt độ phòng, năng lượng ngưỡng gần với giới hạn lý thuyết Eg (Eg là độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn) và độ nhạy phát hiện của bộ детеctor hồng ngoại kiểu thác lũ đạt tới mức 10000 photon.

Nghiên cứu này dựa trên cấu trúc tiếp giáp đồng chất tungsten diselenide (WSe₂) tự pha tạp lớp nguyên tử (chalcogenide kim loại chuyển tiếp hai chiều, TMD) như một môi trường khuếch đại cho sự lan truyền điện tích. Sự phá vỡ đối xứng tịnh tiến không gian đạt được bằng cách thiết kế một biến đổi bậc thang địa hình để tạo ra một điện trường "đỉnh" cục bộ mạnh tại giao diện tiếp giáp đồng chất đột biến.

Ngoài ra, độ dày nguyên tử có thể triệt tiêu cơ chế tán xạ chủ yếu do chế độ phonon chi phối, và thực hiện quá trình tăng tốc và nhân lên của các hạt tải điện không cân bằng với tổn thất rất thấp. Điều này giúp năng lượng ngưỡng thác lũ ở nhiệt độ phòng tiến gần đến giới hạn lý thuyết, tức là độ rộng vùng cấm của vật liệu bán dẫn Eg. Điện áp ngưỡng thác lũ được giảm từ 50 V xuống 1,6 V, cho phép các nhà nghiên cứu sử dụng các mạch kỹ thuật số điện áp thấp đã được hoàn thiện để điều khiển quá trình thác lũ.bộ tách sóng quangcũng như các điốt và bóng bán dẫn điều khiển. Nghiên cứu này hiện thực hóa việc chuyển đổi và sử dụng hiệu quả năng lượng của các hạt tải điện không cân bằng thông qua thiết kế hiệu ứng nhân thác lũ ngưỡng thấp, mang lại một góc nhìn mới cho sự phát triển của thế hệ công nghệ phát hiện hồng ngoại thác lũ có độ nhạy cao, ngưỡng thấp và độ khuếch đại cao tiếp theo.