Los profesores Hu Weida y Peng Hailin, dos de los investigadores del Instituto de Física Técnica de Shanghái y la Universidad de Pekín, propusieron recientemente heteroestructuras de van der Waals de sincronización de impulsos y alineación de bandas para resolver el bajo QE de los fotodetectores infrarrojos de materiales 2D. Los resultados se publicaron en Science Advances , titulado "Heteroestructuras de van der Waals de coincidencia de momento y alineación de bandas para la fotodetección infrarroja de alta eficiencia".

Los fotodetectores infrarrojos con una alta eficiencia cuántica (QE) se pueden utilizar para la detección de luz ultradébil y la comunicación cuántica. Sin embargo, la QE está limitada en gran medida por la capacidad de absorción y la recombinación de defectos de los absorbentes de infrarrojos, así como por la recolección del portador fotogenerado, lo que impide gravemente la fabricación y el desarrollo posterior de fotodetectores infrarrojos con una QE alta. Como resultado, siempre se prefieren los semiconductores de banda prohibida directa con una alta eficiencia de conversión fotoeléctrica. Sin embargo, los inconvenientes tecnológicos, como los costosos procesos de crecimiento, las condiciones de trabajo criogénicas y los elementos tóxicos, aún limitan el espacio de aplicación en expansión de los materiales convencionales. Además, sigue siendo un desafío cumplir con los requisitos tanto de coincidencia de celosía como de alineación de bandas en bloques de construcción de heterounión basados ​​en materiales a granel convencionales.

Los materiales en capas bidimensionales (2D) brindan nuevas oportunidades para la tecnología de detección infrarroja porque poseen superficies naturalmente pasivadas y se pueden apilar en heteroestructuras de van der Waals (vdW) sin tener que considerar más la combinación de redes. Sin embargo, los fotodetectores 2D vdW sufren severamente de bajo QE debido a su naturaleza atómicamente delgada. Se ha demostrado que varias estrategias, incluidas las guías de ondas ópticas, los resonadores ópticos y los plasmones de superficie, mejoran la QE en los fotodetectores 2D, pero a expensas del nivel de integración del dispositivo y la respuesta espectral estrecha.

Las heteroestructuras vdW que coinciden con el impulso pueden admitir transiciones entre capas que son directas en el espacio k, independientemente de los semiconductores de banda prohibida directa o indirecta, en los que el máximo de la banda de valencia (VBM) de un semiconductor y el mínimo de la banda de conducción (CBM) de otro son centrado en el espacio k en la zona de Brillouin. "Por lo tanto, las heteroestructuras vdW que coinciden con el impulso no solo pueden mejorar la tasa de generación de fotoportadores, sino también ampliar potencialmente la respuesta espectral", dijo Hu.

También puede reducir la recombinación de la interfaz con una baja dispersión de desajuste de celosía e impurezas sin defectos. Es importante destacar que, para la fotodetección infrarroja, las alineaciones de banda racionales son muy importantes para lograr un alto QE al optimizar la generación, suprimir la recombinación y mejorar la colección de fotoportadores. La estructura de alineación de banda tipo II sin barreras potenciales para electrones y huecos es deseable.

El máximo de la banda de valencia del fósforo negro (BP) 2D y el mínimo de la banda de conducción del Bi₂ 2D O₂ Se están ubicados en el mismo punto Ã, como se muestra en la Figura 1a. Los portadores en la interfase pueden ser estimulados en las bandas de conducción de BP y Bi₂ O₂ Se, que mejora mucho la transición y generación de los fotoportadores. Los electrones y huecos fotogenerados no ven barreras potenciales y pueden ser recolectados eficientemente en tipo II BP/Bi₂ O₂ Heterounión Se vdW, que se muestra en la Figura 1b. En última instancia, el QE a temperatura ambiente (84 % a 1,3 μm y 76,5 % a 2 μm) del BP/Bi₂ O₂ Se lograron dispositivos Se, que son más altos que la mayoría de los dispositivos basados ​​en 2D informados e incluso comparables a los fotodetectores infrarrojos comerciales de última generación con polarización cero, como se muestra en la Figura 1C. Este alto QE es causado por el alto coeficiente de absorción, el transporte de banda de barrera libre y las interfaces libres de detección. Además, la relación de polarización de BP/Bi₂ O₂ El dispositivo Se a 2 μm es hasta 17, como se muestra en la Figura 1d. Esto también es superior a la mayoría de los fotodetectores basados ​​en materiales polarizados o estructuras asistidas por antena en la región infrarroja de onda corta. + Explora más

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