[论文解读] 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 10

一句话总结

该论文展示了基于垂直堆叠的单层MoS2与p-Si异质结的高性能雪崩光电二极管，实现了超过1,000的载流子倍增增益，且噪声极低。器件通过反向偏置p-n异质结中的碰撞电离效应在比例工作模式下运行，实现了与传统雪崩光电二极管性能相当的单光子探测能力，同时具备更简单、成本更低的2D过渡金属二硫属化合物制造工艺。

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.

研究动机与目标

• 开发基于二维材料的高增益、低噪声雪崩光电二极管，以提升光子探测性能。
• 利用单层MoS2在异质结结构中的独特电子特性，增强碰撞电离效应。
• 展示适用于单光子探测的实用化、低成本且可扩展的雪崩光电二极管器件。
• 在保持与标准光电二极管相当的噪声水平的同时，实现高倍增增益。

提出的方法

• 制备垂直堆叠的单层MoS2与p型硅（p-Si）异质结，形成突变p-n结。
• 施加反向偏置，以在耗尽区诱导碰撞电离和载流子倍增。
• 在比例工作模式下运行，偏置电压低于击穿电压，以实现可控增益和光子能量分辨。
• 利用过渡金属二硫属化合物（特别是MoS2）实现高内增益，因其载流子具有较高的电子和空穴有效质量。
• 在不同反向偏置条件下测量电流增益和噪声特性。
• 从增益和噪声角度，将器件性能与传统雪崩光电二极管及标准光电二极管进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 单层MoS2/Si异质结能否通过碰撞电离实现高雪崩增益？
• RQ2 尽管增益很高，此类异质结构能否保持与标准光电二极管相当的低噪声水平？
• RQ3 能否利用MoS2等二维材料制造高性能、低成本的雪崩光电二极管？
• RQ4 器件能否在比例工作模式下稳定运行，具备足够的增益和噪声控制，以实现实际光子计数？

主要发现

• MoS2/Si异质结雪崩光电二极管实现了超过1,000的载流子倍增增益，表现出高内增益。
• 尽管增益很高，器件的噪声水平与标准光电二极管相当，表明具有极低的额外噪声。
• 器件在比例工作模式下运行，增益稳定，实现了光子能量分辨。
• 单层MoS2的使用使得由于载流子具有高有效质量，从而实现了高效的碰撞电离。
• 异质结构设计使得高性能光子探测器的制备工艺简单且可扩展。