Infrarouge à bas seuilphotodétecteur d'avalanche
Le photodétecteur d'avalanche infrarouge (Photodétecteur APD) est une classe dedispositifs photoélectriques à semi-conducteursCes photodétecteurs produisent un gain élevé grâce à l'effet d'ionisation par collision, permettant ainsi de détecter quelques photons, voire des photons uniques. Cependant, dans les structures de photodétecteurs APD classiques, le processus de diffusion des porteurs hors équilibre entraîne une perte d'énergie, de sorte que la tension de seuil d'avalanche doit généralement atteindre 50 à 200 V. Cela impose des exigences plus élevées en termes de tension de commande et de conception du circuit de lecture, ce qui augmente les coûts et limite les applications.
Récemment, des chercheurs chinois ont proposé une nouvelle structure de détecteur à avalanche proche infrarouge présentant une faible tension de seuil d'avalanche et une sensibilité élevée. Basé sur l'homojonction auto-dopante de la couche atomique, le photodétecteur à avalanche résout le problème de diffusion néfaste induite par les défauts d'interface, inévitable dans l'hétérojonction. Parallèlement, le fort champ électrique local de « pic » induit par la brisure de symétrie de translation est utilisé pour améliorer l'interaction coulombienne entre les porteurs, supprimer la diffusion dominée par le mode phonon hors plan et atteindre un rendement de doublement élevé 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 à avalanche infrarouge peut atteindre 10 000 photons.
Cette étude repose sur l'homojonction de diséléniure de tungstène (WSe₂) autodopé en couche atomique (chalcogénure de métal de transition bidimensionnel, TMD) comme milieu de gain pour les avalanches de porteurs de charge. La brisure de symétrie translationnelle spatiale est obtenue en concevant une mutation topographique par paliers pour induire un fort champ électrique local de type « pic » à l'interface de l'homojonction mutante.
De plus, l'épaisseur atomique permet de supprimer le mécanisme de diffusion dominé par le mode phonon et de réaliser l'accélération et la multiplication des porteurs hors d'équilibre avec de très faibles pertes. Cela rapproche l'énergie du seuil d'avalanche à température ambiante de la limite théorique, c'est-à-dire la bande interdite du matériau semi-conducteur, par exemple. La tension de seuil d'avalanche a été réduite de 50 V à 1,6 V, ce qui a permis aux chercheurs d'utiliser des circuits numériques basse tension éprouvés pour piloter l'avalanche.photodétecteurainsi que des diodes et 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 d'avalanche à faible seuil, ce qui ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de la prochaine génération de technologies de détection infrarouge par avalanche hautement sensibles, à faible seuil et à gain élevé.
Date de publication : 16 avril 2025