Les professeurs Hu Weida et Peng Hailin, deux chercheurs de l'Institut de physique technique de Shanghai et de l'Université de Pékin, ont récemment proposé des hétérostructures van der Waals à adaptation d'impulsion et à alignement de bande pour résoudre le faible QE des photodétecteurs infrarouges à matériaux 2D. Les résultats ont été publiés dans Science Advances , intitulé « Hétérostructures van der Waals d'adaptation de moment et d'alignement de bande pour une photodétection infrarouge à haut rendement ».

Les photodétecteurs infrarouges à haute efficacité quantique (QE) peuvent être utilisés pour la détection de lumière ultrafaible et la communication quantique. Cependant, le QE est largement limité par l'absorptivité et la recombinaison des défauts des absorbeurs infrarouges ainsi que par la collecte du support photogénéré, ce qui entrave gravement la fabrication et le développement ultérieur de photodétecteurs infrarouges avec un QE élevé. Par conséquent, les semi-conducteurs à bande interdite directe avec une efficacité de conversion photoélectrique élevée sont toujours préférés. Cependant, les inconvénients technologiques tels que les processus de croissance coûteux, les conditions de travail cryogéniques et les éléments toxiques limitent encore l'espace d'application en expansion des matériaux conventionnels. De plus, il est toujours difficile de répondre aux exigences d'appariement de réseau et d'alignement de bande dans les blocs de construction à hétérojonction basés sur des matériaux en vrac conventionnels.

Les matériaux en couches bidimensionnels (2D) offrent de nouvelles opportunités pour la technologie de détection infrarouge car ils possèdent des surfaces naturellement passivées et peuvent être empilés dans des hétérostructures de van der Waals (vdW) sans autre considération de l'appariement du réseau. Cependant, les photodétecteurs 2D vdW souffrent gravement d'un faible QE en raison de leur nature atomiquement mince. Plusieurs stratégies, y compris les guides d'ondes optiques, les résonateurs optiques et les plasmons de surface, ont été démontrées pour améliorer le QE dans les photodétecteurs 2D, mais au détriment du niveau d'intégration du dispositif et de la réponse spectrale étroite.

Les hétérostructures vdW à adaptation d'impulsion peuvent prendre en charge des transitions intercouches directes dans l'espace k, quels que soient les semi-conducteurs à bande interdite directe ou indirecte, dans lesquels le maximum de la bande de valence (VBM) d'un semi-conducteur et le minimum de la bande de conduction (CBM) d'un autre sont centré sur l'espace k dans la zone de Brillouin. "Par conséquent, les hétérostructures vdW à impulsion peuvent non seulement améliorer le taux de génération de photoporteurs, mais aussi potentiellement élargir la réponse spectrale", a déclaré Hu.

Il peut également réduire la recombinaison d'interface avec une faible diffusion de désadaptation de réseau et des impuretés sans défaut. Il est important de noter que pour la photodétection infrarouge, les alignements de bandes rationnels sont très importants pour obtenir un QE élevé en optimisant la génération, en supprimant la recombinaison et en améliorant la collecte des photoporteurs. La structure d'alignement de bande de type II sans barrières de potentiel pour les électrons et les trous est souhaitable.

Le maximum de la bande de valence du phosphore noir 2D (BP) et le minimum de la bande de conduction du Bi₂ 2D O₂ Se sont situés au même point Г, comme le montre la figure 1a. Les porteurs à l'interface peuvent être stimulés dans les bandes de conduction de BP et Bi₂ O₂ Se, ce qui améliore grandement la transition et la génération des photoporteurs. Les électrons et les trous photogénérés ne voient aucune barrière de potentiel et peuvent être collectés efficacement dans le type II BP/Bi₂ O₂ Hétérojonction Se vdW, illustrée à la figure 1b. Au final, le QE à température ambiante (84 % à 1,3 μm et 76,5 % à 2 μm) du BP/Bi₂ O₂ Le dispositif Se a été réalisé, qui est supérieur à la plupart des dispositifs basés sur 2D rapportés et même comparable aux photodétecteurs infrarouges de pointe commercialement à polarisation nulle, comme le montre la figure 1C. Ce QE élevé est causé par le coefficient d'absorption élevé, le transport de bande à barrière libre et les interfaces sans détection. De plus, le rapport de polarisation du BP/Bi₂ O₂ Se dispositif à 2 μm est jusqu'à 17, comme le montre la figure 1d. Ceci est également supérieur à la plupart des photodétecteurs basés sur des matériaux polarisés ou des structures assistées par antenne dans la région infrarouge à ondes courtes. + Explorer plus loin

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