バイポーラ2次元アバランシェ光検出器

双極性2次元アバランシェ光検出器

バイポーラ2次元アバランシェ光検出器（APD光検出器）は超低ノイズと高感度検出を実現

少数の光子、あるいは単一光子の高感度検出は、微弱光イメージング、リモートセンシング・テレメトリー、量子通信などの分野で重要な応用展望を持っています。その中でも、アバランシェ光検出器（APD）は、小型、高効率、容易な統合という特徴から、光電子デバイス研究の重要な方向性となっています。信号対雑音比（SNR）はAPD光検出器の重要な指標であり、高いゲインと低い暗電流が求められます。二次元（2D）材料のファンデルワールスヘテロ接合の研究は、高性能APD開発の広い展望を示しています。中国の研究者たちは、感光性材料としてバイポーラ二次元半導体材料WSe₂を選択し、最もマッチングの良い仕事関数を持つPt/WSe₂/Ni構造のAPD光検出器を丹念に作製し、従来のAPD光検出器に固有のゲインノイズの問題を解決しました。

研究チームは、Pt/WSe₂/Ni構造に基づくアバランシェ光検出器を提案し、室温でfWレベルの極微弱光信号を高感度に検出することを可能にした。優れた電気特性を持つ2次元半導体材料WSe₂を選択し、PtとNiの電極材料を組み合わせることで、新型アバランシェ光検出器の開発に成功した。Pt、WSe₂、Ni間の仕事関数の整合を精密に最適化することで、暗キャリアを効果的に遮断しながら光生成キャリアを選択的に通過させる輸送機構を設計した。この機構により、キャリア衝突電離による過剰なノイズが大幅に低減され、極めて低いノイズレベルで高感度な光信号検出が可能となった。

次に、弱電場誘起によるアバランシェ効果のメカニズムを解明するため、研究者らはまず、様々な金属の固有仕事関数とWSe₂との適合性を評価しました。異なる金属電極を持つ一連の金属-半導体-金属（MSM）デバイスを作製し、それらについて関連試験を実施しました。さらに、アバランシェ開始前のキャリア散乱を低減することで、衝突イオン化のランダム性を軽減し、ノイズを低減できるため、関連試験を実施しました。さらに、Pt/WSe₂/Ni APDの時間応答特性における優位性を示すため、異なる光電利得値におけるデバイスの-3 dB帯域幅を評価しました。

実験結果によると、Pt/WSe₂/Ni検出器は室温で8.07 fW/√Hzという極めて低い雑音等価電力（NEP）を示すことが示されました。これは、この検出器が極めて微弱な光信号を識別できることを意味します。さらに、このデバイスは20 kHzの変調周波数で5×10⁵の高ゲインで安定動作することができ、高ゲインと帯域幅のバランスをとるのが難しいという従来の光起電力検出器の技術的ボトルネックを解決しました。この特徴は、高ゲインと低ノイズが求められる用途において大きなメリットをもたらすことが期待されます。

この研究は、材料工学とインターフェース最適化が、光検出器電極と二次元材料の巧妙な設計により、暗黒キャリアの遮蔽効果が実現され、ノイズ干渉が大幅に低減され、検出効率がさらに向上しました。

この検出器の性能は光電特性に反映されているだけでなく、幅広い応用の可能性を秘めています。室温での暗電流の効果的な遮断と光生成キャリアの効率的な吸収により、この検出器は環境モニタリング、天文観測、光通信などの分野における微弱光信号の検出に特に適しています。この研究成果は、低次元材料光検出器の開発に新たなアイデアを提供するだけでなく、高性能・低消費電力の光電子デバイスの将来の研究開発にも新たな参考資料を提供します。