MXene-GaN van der Waals metaal-halfgeleiderovergangen voor hoogwaardige fotodetectie

Hoge niveaus van donkerstroom en ruis zijn al jaren een probleem voor metaal-halfgeleider-metaal (MSM) fotodetectoren. Onlangs hebben wetenschappers in China aangetoond dat door conventionele metalen te vervangen door MXene, de donkerstroom en ruis van MSM-fotodetectoren met meerdere kwantumbronnen aanzienlijk kunnen worden verbeterd.

De verspreiding van het Internet of Things (IoT) heeft geleid tot een grote belangstelling van fotodetectoren (PD), omdat ze veel worden gebruikt bij detectie, detectie, gegevenstransport en -verwerking. Het komende 5G-enabled IoT (5G-IoT) vereist nieuwe prestatiecriteria zoals enorme connectiviteit, ultralage latentie en ultrabetrouwbaarheid voor een groot aantal IoT-apparaten. Om aan deze eisen te voldoen, hebben metaal-halfgeleider-metaal (MSM) fotodetectoren veel aandacht gekregen vanwege hun hoge reactiesnelheid, eenvoudige fabricageproces en haalbaarheid van integratie met veldeffecttransistor (FET) -technologie.

Het conventionele fabricageproces zal echter leiden tot chemische wanorde en defecte toestanden op de metaal-halfgeleiderinterfaces, wat leidt tot aanzienlijke donkerstroom en ruis. Bovendien worden ondoorzichtige metalen meestal bovenop het actieve lichtabsorptiegebied geplaatst, dat een deel van het invallende licht zal reflecteren en zo de responsiviteit van MSM-fotodetectoren zal verminderen.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassing, heeft een team van wetenschappers onder leiding van professor Jiang Wu van het Institute of Fundamental and Frontier Sciences, University of Electronic Science and Technology of China een hoogwaardige, op MXene-GaN-MXene gebaseerde fotodetector met meerdere kwantumputjes gedemonstreerd, bereid op een saffiersubstraat met patroon door middel van gemakkelijk druppelgieten .

MXene, een nieuw type tweedimensionale (2D) materialen ontdekt in 2011, heeft veel charmante eigenschappen, zoals metalen geleidbaarheid, mechanische flexibiliteit, hydrofilie, goede transmissie en chemische stabiliteit, waardoor MXene in oplossing kan worden verwerkt bij lage temperaturen en onder omgevingsomstandigheden. Bovendien maakt de breed afstembare werkfunctie MXene een geweldige kandidaat voor ohmse of Schottky-contacten met verschillende halfgeleidermaterialen. Belangrijker is dat 2D-materialen bestaan ​​uit covalent gebonden atomaire lagen in het vlak die zwak met elkaar interageren in de richting buiten het vlak. Wanneer ze worden afgezet op bulkhalfgeleidermaterialen, zijn MXene-halfgeleider van der Waals-overgangen gevormd aan het grensvlak vrij van chemische wanorde en hebben ze minder defecte toestanden, wat het Fermi-niveau-pinning-effect zou kunnen vermijden en de omgekeerde tunnelstromen zou kunnen verminderen.

De door Jiang et al voorgestelde meervoudige kwantumputfotodetector werd gekweekt op het van een patroon voorziene saffiersubstraat, dat de epitaxiale laterale overgroei (ELOG) -modus kan bevorderen en bijgevolg de defectdichtheid in GaN-epilagen kan verminderen en de MXene werd gebruikt om de conventionele metalen, Au /Kr. De op MXene-GaN-MXene gebaseerde fotodetector met meerdere kwantumputjes vertoonde een aanzienlijk verbeterde responsiviteit, donkerstroom en ruis in het blauwgroene lichtspectrumbereik in vergelijking met de conventionele tegenhanger, waardoor het een potentiële kandidaat is voor optische detectie en communicatie onder water. De verbeteringen werden toegeschreven aan de low-defect MXene-GaN van der Waals-interfaces. Interessanter is dat dankzij de hoogwaardige MXene-GaN van der Waals-juncties, die de donkerstroom en ruis kunnen onderdrukken en dus kleine ruimtelijke variaties van de fotostroom in de orde van nanoampère onderscheiden, de gelokaliseerde lichtfocussering en verbetering door het van een patroon voorziene saffiersubstraat waren opgemerkt.