โฟโตดีเทคเตอร์อินฟราเรดแบบเกณฑ์ต่ำ

อินฟราเรดที่มีเกณฑ์ต่ำเครื่องตรวจจับแสงถล่ม

โฟโตดีเทคเตอร์แบบอะวาแลนซ์อินฟราเรด (โฟโตดีเทคเตอร์ APD) เป็นคลาสของอุปกรณ์โฟโตอิเล็กทริกเซมิคอนดักเตอร์อุปกรณ์ตรวจจับแสงแบบ APD (Alternate Photodetector) ที่สร้างอัตราขยายสูงผ่านปรากฏการณ์การแตกตัวเป็นไอออนจากการชนกัน ทำให้สามารถตรวจจับโฟตอนจำนวนน้อยหรือแม้แต่โฟตอนเดียวได้ อย่างไรก็ตาม ในโครงสร้างอุปกรณ์ตรวจจับแสงแบบ APD ทั่วไป กระบวนการกระเจิงของพาหะที่ไม่สมดุลนำไปสู่การสูญเสียพลังงาน ทำให้แรงดันเกณฑ์การเกิดการแตกตัวเป็นไอออนมักจะต้องสูงถึง 50-200 โวลต์ ซึ่งทำให้ความต้องการแรงดันขับและวงจรการอ่านค่าของอุปกรณ์สูงขึ้น ส่งผลให้ต้นทุนเพิ่มขึ้นและจำกัดการใช้งานในวงกว้าง

เมื่อเร็วๆ นี้ งานวิจัยของจีนได้เสนอโครงสร้างใหม่ของตัวตรวจจับรังสีอินฟราเรดแบบอะวาแลนซ์ที่มีแรงดันเกณฑ์อะวาแลนซ์ต่ำและความไวสูง โดยอาศัยโฮโมจังก์ชันแบบโดปตัวเองของชั้นอะตอม ตัวตรวจจับแสงแบบอะวาแลนซ์นี้แก้ปัญหาการกระเจิงที่เป็นอันตรายซึ่งเกิดจากสถานะข้อบกพร่องที่ส่วนต่อประสานซึ่งหลีกเลี่ยงไม่ได้ในเฮเทอโรจังก์ชัน ในขณะเดียวกัน สนามไฟฟ้า "ยอด" เฉพาะที่แรงซึ่งเกิดจากการทำลายสมมาตรการแปลถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มปฏิสัมพันธ์คูลอมบ์ระหว่างตัวนำ ยับยั้งการกระเจิงที่ครอบงำโดยโหมดโฟนอนนอกระนาบ และบรรลุประสิทธิภาพการเพิ่มจำนวนเป็นสองเท่าของตัวนำที่ไม่สมดุลสูง ที่อุณหภูมิห้อง พลังงานเกณฑ์ใกล้เคียงกับขีดจำกัดทางทฤษฎี Eg (Eg คือช่องว่างพลังงานของสารกึ่งตัวนำ) และความไวในการตรวจจับของตัวตรวจจับรังสีอินฟราเรดแบบอะวาแลนซ์สูงถึงระดับ 10,000 โฟตอน

งานวิจัยนี้ศึกษาโครงสร้างโฮโมจังก์ชันของทังสเตนไดซีลีไนด์ (WSe₂) ที่มีการเจือสารในระดับอะตอม (สารประกอบแคลโคเจนของโลหะทรานซิชันแบบสองมิติ, TMD) โดยใช้เป็นตัวกลางในการเพิ่มกำลังของการเกิดการแตกตัวของประจุ การทำลายสมมาตรเชิงพื้นที่และการแปลความหมายนั้นทำได้โดยการออกแบบการกลายพันธุ์ของขั้นบันไดทางภูมิประเทศ เพื่อเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้า "แหลม" เฉพาะที่ที่รุนแรง ณ บริเวณส่วนต่อประสานของโฮโมจังก์ชันที่กลายพันธุ์

นอกจากนี้ ความหนาของอะตอมยังสามารถยับยั้งกลไกการกระเจิงที่ถูกครอบงำโดยโหมดโฟนอน และทำให้เกิดกระบวนการเร่งและการเพิ่มจำนวนของพาหะที่ไม่สมดุลโดยมีการสูญเสียต่ำมาก ซึ่งทำให้พลังงานเกณฑ์การเกิดอะวาแลนซ์ที่อุณหภูมิห้องใกล้เคียงกับขีดจำกัดทางทฤษฎี นั่นคือช่องว่างแถบพลังงานของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ Eg แรงดันไฟฟ้าเกณฑ์การเกิดอะวาแลนซ์ลดลงจาก 50 V เหลือ 1.6 V ทำให้ผู้วิจัยสามารถใช้วงจรดิจิทัลแรงดันต่ำที่พัฒนาแล้วในการขับเคลื่อนอะวาแลนซ์ได้โฟโตดีเทคเตอร์รวมถึงไดโอดขับและทรานซิสเตอร์ด้วย งานวิจัยนี้ตระหนักถึงการแปลงและการใช้พลังงานของพาหะที่ไม่สมดุลอย่างมีประสิทธิภาพผ่านการออกแบบเอฟเฟกต์การคูณแบบอะวาแลนซ์ที่มีเกณฑ์ต่ำ ซึ่งให้มุมมองใหม่สำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีการตรวจจับอินฟราเรดแบบอะวาแลนซ์ที่มีความไวสูง เกณฑ์ต่ำ และอัตราขยายสูงในอนาคต