[논문 리뷰] Avalanche photodiodes based on MoS2/Si heterojunctions

Oriol Lopez-Sanchez, Dumitru Dumcenco외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 12.

2D Materials and Applications참고 문헌 41인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 수직으로 스택된 단일층 MoS2와 p-Si 이종접합을 기반으로 한 고성능 압전광다이오드(APD)를 제시하며, 비정상적으로 낮은 노이즈를 동반한 1,000을 초과하는 실내 다중성(carrier multiplication)을 달성한다. 이 장치들은 역편류가 가해진 p-n 이종접합에서 충격 이온화를 통해 비례 모드로 작동하며, 기존 APD와 견줄 만한 성능을 보이며 단순하고 저비용의 제조 공정을 통해 2차원 전이 금속 디칼코겐화합물(2D transition metal dichalcogenides)을 사용한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 2차원 재료를 사용하여 고이득, 저노이즈 압전광다이오드를 개발하여 광검출 성능을 향상시키기.
• 이종접합 구조에서 단일층 MoS2의 고유한 전자적 성질을 활용하여 충격 이온화를 향상시키기.
• 실용적이고 저비용이며 확장 가능한 APD 장치를 제시하여 단일 광자 검출에 적합하게 하기.
• 표준 광다이오드 수준의 노이즈 수준을 유지하면서도 고다중성 이득을 달성하기.

제안 방법

• 수직으로 스택된 단일층 MoS2와 p형 실리콘(p-Si) 이종접합을 제조하여 급격한 p-n 접합을 형성하기.
• 역편류를 도핑하여 고갈 영역에서 충격 이온화와 실내 다중성을 유도하기.
• 비례 모드로 작동시키며, 브레이크다운 전압 이하의 편류를 적용하여 제어 가능한 이득과 광자 에너지 식별이 가능하게 하기.
• 전이 금속 디칼코겐화합물(특히 MoS2)을 사용하여 높은 전자 및 정공 효과 질량 덕분에 고내부 이득을 실현하기.
• 다양한 역편류 조건에서 전류 이득과 노이즈 특성을 측정하기.
• 이득과 노이즈 측면에서 기존 APD와 표준 광다이오드와의 성능을 비교하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일층 MoS2/Si 이종접합에서 충격 이온화를 통해 고압전 이득을 달성할 수 있는가?
• RQ2 높은 이득에도 불구하고 표준 광다이오드 수준의 낮은 노이즈 수준을 유지할 수 있는가?
• RQ3 MoS2와 같은 2차원 재료를 사용하여 고성능, 저비용 APD를 제조하는 것이 실현 가능한가?
• RQ4 충분한 이득과 노이즈 제어가 가능한 비례 모드로 작동할 수 있는가, 실용적 광자 수세기 응용에 적합한가?

주요 결과

• MoS2/Si 이종접합 APD는 1,000을 초과하는 실내 다중성 이득을 달성하여 고내부 이득을 입증하였다.
• 높은 이득에도 불구하고 장치는 표준 광다이오드 수준의 노이즈 수준을 보였으며, 이는 낮은 초과 노이즈를 의미한다.
• 장치는 안정적인 이득을 유지하며 비례 모드로 작동하여 광자 에너지 식별이 가능했다.
• 단일층 MoS2의 사용 덕분에 높은 효과 질량을 가진 실내 다중성의 효율적인 충격 이온화가 가능했다.
• 이종접합 설계 덕분에 고성능 광검출기의 단순하고 확장 가능한 제조가 가능했다.