양극성 2차원 눈사태 광검출기

양극성 2차원눈사태 광검출기

양극성 2차원 눈사태 광검출기(APD 광검출기) 초저잡음 및 고감도 검출을 실현

소수 광자 또는 단일 광자의 고감도 검출은 미약광 이미징, 원격 감지 및 원격 측정, 양자 통신과 같은 분야에서 중요한 응용 전망을 가지고 있습니다. 그중 애벌랜치 광검출기(APD)는 소형, 고효율, 그리고 손쉬운 집적화라는 특성으로 인해 광전자 소자 연구 분야에서 중요한 방향으로 자리 잡았습니다. 신호 대 잡음비(SNR)는 높은 이득과 낮은 암전류를 필요로 하는 APD 광검출기의 중요한 지표입니다. 2차원(2D) 재료의 반데르발스 이종접합에 대한 연구는 고성능 APD 개발에 폭넓은 전망을 제시합니다. 중국 연구진은 바이폴라 2차원 반도체 재료인 WSe₂를 감광 재료로 선택하고, 기존 APD 광검출기의 고유한 이득 잡음 문제를 해결하기 위해 최적의 일함수를 갖는 Pt/WSe₂/Ni 구조를 가진 APD 광검출기를 정교하게 제작했습니다.

연구팀은 Pt/WSe₂/Ni 구조 기반의 애벌랜치 광검출기를 제안하여 상온에서 fW 수준의 극히 미약한 광신호를 고감도로 검출할 수 있도록 했습니다. 연구팀은 우수한 전기적 특성을 가진 2차원 반도체 물질인 WSe₂를 선택하고, Pt와 Ni 전극 물질을 결합하여 새로운 유형의 애벌랜치 광검출기를 성공적으로 개발했습니다. Pt, WSe₂, Ni 간의 일함수 매칭을 정밀하게 최적화함으로써, 어두운 캐리어는 효과적으로 차단하고 광생성 캐리어는 선택적으로 통과시키는 수송 메커니즘을 설계했습니다. 이 메커니즘은 캐리어 충돌 이온화로 인한 과도한 잡음을 크게 줄여 광검출기가 매우 낮은 잡음 수준에서 고감도 광신호 검출을 달성할 수 있도록 합니다.

이후, 약한 전기장에 의해 유도되는 애벌랜치 효과의 메커니즘을 규명하기 위해, 연구진은 다양한 금속의 고유 일함수와 WSe₂의 적합성을 먼저 평가했습니다. 다양한 금속 전극을 갖는 일련의 금속-반도체-금속(MSM) 소자를 제작하고 관련 실험을 수행했습니다. 또한, 애벌랜치 발생 전 캐리어 산란을 줄임으로써 충격 이온화의 무작위성을 완화하여 잡음을 줄일 수 있었습니다. 따라서 관련 실험을 수행했습니다. 시간 응답 특성 측면에서 Pt/WSe₂/Ni APD의 우수성을 더욱 입증하기 위해, 연구진은 다양한 광전 이득 값에서 소자의 -3 dB 대역폭을 추가로 평가했습니다.

실험 결과에 따르면, Pt/WSe₂/Ni 검출기는 실온에서 8.07 fW/√Hz의 매우 낮은 잡음 등가 전력(NEP)을 나타냅니다. 이는 검출기가 매우 약한 광 신호를 식별할 수 있음을 의미합니다. 또한, 이 소자는 20kHz의 변조 주파수에서 5×10⁵의 높은 이득으로 안정적으로 작동하여, 높은 이득과 대역폭의 균형을 맞추기 어려운 기존 태양광 검출기의 기술적 병목 현상을 성공적으로 해결했습니다. 이러한 특징은 높은 이득과 낮은 잡음을 요구하는 응용 분야에서 상당한 이점을 제공할 것으로 예상됩니다.

이 연구는 재료 공학과 인터페이스 최적화가 성능 향상에 중요한 역할을 한다는 것을 보여줍니다.광검출기전극과 2차원 소재의 독창적인 설계를 통해 어두운 캐리어의 차폐 효과가 달성되어 노이즈 간섭이 크게 줄어들고 감지 효율이 더욱 향상되었습니다.

이 검출기의 성능은 광전 특성뿐만 아니라 광범위한 응용 가능성을 가지고 있습니다. 실온에서 암전류를 효과적으로 차단하고 광생성 캐리어를 효율적으로 흡수하는 이 검출기는 환경 모니터링, 천문 관측, 광통신 등의 분야에서 미약한 광 신호를 검출하는 데 특히 적합합니다. 이 연구 성과는 저차원 소재 광검출기 개발에 새로운 아이디어를 제공할 뿐만 아니라, 고성능 저전력 광전자 소자의 미래 연구 개발을 위한 새로운 참고 자료를 제공합니다.