infrarouge à seuil basphotodétecteur d'avalanche
Le photodétecteur à avalanche infrarouge (photodétecteur APD) est une classe dedispositifs photoélectriques à semi-conducteursCes dispositifs produisent un gain élevé grâce à l'effet d'ionisation par collision, permettant ainsi la détection de quelques photons, voire d'un seul photon. Cependant, dans les structures de photodétecteurs APD conventionnelles, le processus de diffusion des porteurs hors équilibre entraîne des pertes d'énergie, de sorte que la tension de seuil d'avalanche doit généralement atteindre 50 à 200 V. Ceci impose des exigences plus élevées à la tension de commande et à la conception du circuit de lecture, augmentant les coûts et limitant les applications.
Des recherches récentes menées en Chine ont proposé une nouvelle structure de détecteur infrarouge à avalanche, caractérisée par une faible tension de seuil et une haute sensibilité. Basé sur une homojonction auto-dopée de couches atomiques, ce photodétecteur à avalanche résout le problème de la diffusion nuisible induite par les défauts d'interface, inévitable dans les hétérojonctions. Parallèlement, le champ électrique intense généré localement par la rupture de symétrie de translation renforce l'interaction coulombienne entre les porteurs de charge, supprime la diffusion dominée par les phonons hors plan et permet d'obtenir une efficacité de doublement élevée des porteurs hors équilibre. À température ambiante, l'énergie de seuil est proche de la limite théorique Eg (Eg étant la bande interdite du semi-conducteur) et la sensibilité de détection du détecteur infrarouge à avalanche atteint 10 000 photons.
Cette étude repose sur une homojonction de diséléniure de tungstène (WSe₂) auto-dopée en couches atomiques (chalcogénure de métal de transition bidimensionnel, TMD) utilisée comme milieu amplificateur pour les avalanches de porteurs de charge. La rupture de symétrie de translation spatiale est obtenue par la conception d'une mutation topographique en escalier, induisant un champ électrique local intense, dit « en pointe », à l'interface de l'homojonction mutante.
De plus, l'épaisseur atomique permet de supprimer le mécanisme de diffusion dominé par le mode phononique et de réaliser l'accélération et la multiplication des porteurs hors équilibre avec de très faibles pertes. Ceci rapproche l'énergie de seuil d'avalanche à température ambiante de la limite théorique, c'est-à-dire la largeur de bande interdite du matériau semi-conducteur (Eg). La tension de seuil d'avalanche a ainsi été réduite de 50 V à 1,6 V, permettant aux chercheurs d'utiliser des circuits numériques basse tension éprouvés pour piloter l'avalanche.photodétecteurainsi que des diodes et des transistors de commande. Cette étude permet une conversion et une utilisation efficaces de l'énergie des porteurs hors équilibre grâce à la conception d'un effet de multiplication par avalanche à faible seuil, offrant ainsi une nouvelle perspective pour le développement de la prochaine génération de technologies de détection infrarouge par avalanche à haute sensibilité, à faible seuil et à gain élevé.
Date de publication : 16 avril 2025