[論文レビュー] Avalanche photodiodes based on MoS2/Si heterojunctions

Oriol Lopez-Sanchez, Dumitru Dumcenco+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2014

2D Materials and Applications参考文献 41被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、垂直に積層されたモノレイヤーMoS2とp型シリコン（p-Si）ヘテロジャンクションを用いた高効率なアバランチフォトダイオード（APD）を示しており、1,000を超えるキャリア倍増を達成するとともに、極めて低いノイズを実現している。デバイスは逆バイアス状態におけるp-nヘテロジャンクションでのインパクトイオン化を用いて比例モードで動作し、単一光子検出が可能であり、従来のAPDと同等の性能を発揮するが、2次元遷移金属ディカルコゲナイドを用いることで、より単純で低コストなプロセスで実現できる。

ABSTRACT

Avalanche photodiodes (APDs) are the semiconducting analogue of photomultiplier tubes offering very high internal current gain and fast response. APDs are interesting for a wide range of applications in communications1, laser ranging2, biological imaging3, and medical imaging4 where they offer speed and sensitivity superior to those of classical p-n junction-based photodetectors. The APD principle of operation is based on photocurrent multiplication through impact ionization in reverse-biased p-n junctions. APDs can either operate in proportional mode, where the bias voltage is below breakdown, or in Geiger mode, where the bias voltage is above breakdown. In proportional mode, the multiplication gain is finite, thus allowing for photon energy discrimination, while in Geiger mode of operation the multiplication gain is virtually infinite and a self-sustaining avalanche may be triggered, thus allowing detection of single photons5. Here, we demonstrate APDs based on vertically stacked monolayer MoS2 and p-Si, forming an abrupt p-n heterojunction. With this device, we demonstrate carrier multiplication exceeding 1000. Even though such multiplication factors in APDs are commonly accompanied by high noise, our devices show extremely low noise levels comparable with those in regular photodiodes. These heterostructures allow the realization of simple and inexpensive high-performance and low-noise photon counters based on transition metal dichalcogenides.

研究の動機と目的

• 2次元材料を用いた高利得・低ノイズのアバランチフォトダイオードの開発により、光子検出性能の向上を図ること。
• モノレイヤーMoS2の特異な電子的性質をヘテロジャンクション構造に活用し、効果的なインパクトイオン化を向上させること。
• 実用的で低コストかつスケーラブルなAPDデバイスを、単一光子検出に適した形で実証すること。
• 標準フォトダイオードと同等のノイズレベルを維持しながら、高い倍増利得を達成すること。

提案手法

• 垂直に積層されたモノレイヤーMoS2とp型シリコン（p-Si）ヘテロジャンクションを形成し、急峻なp-nジャンクションを構築する。
• 逆バイアスを印加して、デバイューション領域でインパクトイオン化とキャリア倍増を誘発する。
• ブレイクダウン電圧未満のバイアス条件下で比例モードで動作させ、制御された利得と光子エネルギーの識別を可能にする。
• 遷移金属ディカルコゲナイド（特にMoS2）を用いることで、キャリアの電子およびホールの有効質量が高いため、高い内部利得を実現する。
• 変化する逆バイアス条件下での電流利得およびノイズ特性を測定する。
• 利得とノイズの観点から、従来のAPDおよび標準フォトダイオードと比較してデバイスの性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノレイヤーMoS2/Siヘテロジャンクションは、インパクトイオン化によって高いアバランチ利得を達成できるか？
• RQ2 高い利得にもかかわらず、標準フォトダイオードと同等の低ノイズレベルを維持できるか？
• RQ3 MoS2などの2次元材料を用いて、高性能で低コストなAPDを実装することが可能か？
• RQ4 十分な利得とノイズ制御が可能な比例モードで、実用的な光子カウンティングに適した動作が可能か？

主な発見

• MoS2/SiヘテロジャンクションAPDは、1,000を超えるキャリア倍増利得を達成し、高い内部利得を示した。
• 高い利得にもかかわらず、デバイスは標準フォトダイオードと同等のノイズレベルを示し、過剰ノイズが低いことを示した。
• 安定した利得を維持する比例モードで動作し、光子エネルギーの識別が可能となった。
• モノレイヤーMoS2の使用により、キャリアの有効質量が高いため、効率的なインパクトイオン化が実現された。
• ヘテロ構造設計により、高性能な光子検出器を単純かつスケーラブルにプロセス可能となった。