Wetenschappers creëren zichtbare infraroodfotodetectoren met zwart arseen

De afgelopen jaren hebben de uitzonderlijke structuur en fascinerende elektrische en optische eigenschappen van tweedimensionale (2D) gelaagde kristallen brede aandacht getrokken. Voorbeelden van dergelijke kristallen zijn onder meer grafeen, zwarte fosfor (BP) en overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's).

Met hun atoomdikte, hoge dragermobiliteit en afstembare bandafstanden zijn deze materialen veelbelovend in verschillende toepassingen en blijven ze aanzienlijke belangstelling wekken in de wetenschappelijke gemeenschap. Grafeen, een kristallijne structuur van dicht opeengepakte koolstofatomen verbonden door sp² hybridisatie die een enkellaags tweedimensionaal honingraatrooster vormt, beschikt over een elektronenmobiliteit zo hoog als 2×10⁵ cm²· V⁻¹·S⁻¹.

De kortstondige foto-gegenereerde dragers van grafeen, toegeschreven aan de nulbandafstand en de extreem lage lichtabsorptie (2,3%), belemmeren echter de apparaattoepassingen. Overgangsmetaaldichalcogeniden hebben brede bandafstanden en een relatief lagere mobiliteit van de drager (<200 cm²· V⁻¹·S⁻¹), waardoor ze ongeschikt zijn voor toepassingen op het gebied van opto-elektronische detectie.

Vanwege zijn unieke eigenschappen komt zwarte fosfor naar voren als een veelbelovend materiaal voor infrarooddetectoren. Het vertoont met name een directe bandafstand variërend van 0,34 eV in bulk tot 2,1 eV in monolaagvorm. Bovendien bezit zwarte fosfor, gebaseerd op eerdere studies, een hoge dragermobiliteit van ongeveer 1.000 cm2²· V⁻¹·S⁻¹ en een grote aan/uit-verhouding van 105. Deze eigenschappen versterken verder het potentieel van zwarte fosfor als het voorkeursmateriaal voor infrarooddetectietoepassingen.

Helaas heeft zwarte fosfor een slechte stabiliteit en wordt het bij kamertemperatuur snel afgebroken in de atmosfeer, waardoor de praktische toepassingen ervan worden beperkt. Zwart arseen (B-As), als homoloog van fosfor, deelt een vergelijkbare kristalstructuur met BP en zal naar verwachting uitstekende elektrische en optische prestaties vertonen, met een verwachte hoge dragermobiliteit (tot 10³ cm²· V⁻¹·S⁻¹).

Zoals uit eerder onderzoek is gebleken, is de bandafstand van B-As sterk afhankelijk van de materiaaldikte. Concreet varieert de indirecte bandafstand van enkellaags B-As van ongeveer 1-1,5 eV, terwijl bulk B-As een halfgeleider met directe bandafstand is met een bandafstand van ongeveer 0,3 eV.

Deze bevindingen onderstrepen het belang van het overwegen van laagdikte bij het bestuderen van de elektronische en optische eigenschappen van B-As, wat het potentieel van dit materiaal in verschillende toepassingen aantoont.

Nu heeft een onderzoeksgroep een dual-band fotodetector ontworpen op basis van zwarte fosfor voor zichtbare en infrarode golflengten. Bij kamertemperatuur ontdekte het team aan de hand van de overdrachtskarakteristieken en de spannings-stroomkarakteristieken van het apparaat dat het voorbereide apparaat een n-type FET met uitputtingsmodus is en goed ohms contact vertoont.

Het onderzoek is gepubliceerd in het journaal Geavanceerde apparaten en instrumentatie.

Wanneer de energie van invallende laserfotonen groter is dan de bandafstand van verschillende lagen B-As (hv > Eg), kunnen foto-geëxciteerde elektronen-gatparen worden gegenereerd. Wanneer het B-As-apparaat zich in de voorspanningsmodus bevindt, scheidt het aangelegde elektrische veld effectief de foto-gegenereerde elektronen-gatparen op het grensvlak en injecteert ze in de elektrode, waardoor een fotostroom wordt gegenereerd. De onderzoeksresultaten van het team geven aan dat het fotogeleidende effect het belangrijkste lichtreactiemechanisme van het B-As-apparaat is in de zichtbare licht- en infraroodbanden.

Tijdens het experiment vonden ze een zwak signaal bij een voorspanning van nul, waarvan ze analyseerden dat dit te wijten was aan de ongelijkmatige verlichting van de laservlek op het kanaal dat fotothermische stroom introduceerde. Dit kan ook worden toegeschreven aan het Dember-effect dat wordt veroorzaakt door de verschillende diffusiecoëfficiënten van elektronen en gaten, wat leidt tot het ingebouwde elektrische veld.

Onderzoekers hebben de meest intuïtieve en effectieve manier geboden om de regio waar fotostroom wordt gegenereerd weer te geven door fotostroomkaarten te scannen, die worden gebruikt om hun verklaring te valideren. Een zwak fotostroomsignaal wordt door het apparaat uitgezonden met een bias van 0 V, wat hun eerdere verklaring bevestigt. Het verhogen van de voorspanning met 0,01 V op dezelfde positie van het kanaal onthult een aanzienlijke uitbreiding van het lichtgevoelige gebied.

Deze studie heeft met succes een B-As-fotodetector ontwikkeld die in staat is tot een snelle respons bij kamertemperatuur, wat uitzonderlijke dual-band lichtresponskarakteristieken demonstreert. De detector vertoonde een maximale fotoresponsiviteit van 387,3 mA·W⁻¹ bij een nabij-infraroodgolflengte van 825 nm zonder de noodzaak van een externe bias, en bereikte een hoge detectiviteit van 1,37 x 10⁸ Jones.

Het responsmechanisme over het zichtbare tot infrarode spectrum wordt voornamelijk toegeschreven aan het fotogeleidende effect. Deze resultaten bevestigen niet alleen de superieure foto-elektrische prestaties van B-As als halfgeleider met een smalle bandafstand, maar tonen ook aan dat de prestaties vergelijkbaar zijn met die van zwarte fosfor (BP), wat wijst op een aanzienlijk potentieel voor toepassing in opto-elektronische apparaten met hoge snelheid. Het allerbelangrijkste is dat de dual-band detectiemogelijkheden die in dit onderzoek zijn aangetoond een solide basis leggen voor de toekomstige ontwikkeling van breedbandige fotodetectietechnologieën bij kamertemperatuur.