Höga nivåer av mörkström och brus har drabbat metall-halvledar-metall (MSM) fotodetektorer i flera år. Nyligen, forskare i Kina visade att genom att ersätta konventionella metaller med MXene, mörkströmmen och bruset hos MSM-fotodetektorer med flera kvantbrunnar kan förbättras avsevärt.

Spridningen av Internet of Things (IoT) har väckt ett intensivt intresse för fotodetektorer (PD) eftersom de används i stor utsträckning för avkänning, upptäckt, datatransport och bearbetning. Den kommande 5G-aktiverade IoT (5G-IoT) kommer att kräva nya prestandakriterier som massiv anslutning, ultralåg latens och ultratillförlitlighet för ett stort antal IoT-enheter. För att möta dessa krav, metall-halvledar-metall (MSM) fotodetektorer har fått mycket uppmärksamhet för sin höga svarshastighet, enkel tillverkningsprocess och möjlighet till integration med fälteffekttransistor (FET)-teknologi.

Dock, den konventionella tillverkningsprocessen kommer att inducera kemiska störningar och defekttillstånd vid metall-halvledargränssnitten, leder till betydande mörkström och brus. Dessutom, ogenomskinliga metaller placeras vanligtvis ovanpå det aktiva ljusabsorptionsområdet, som kommer att reflektera en del av det infallande ljuset och därmed minska responsiviteten hos MSM-fotodetektorer.

I en ny tidning publicerad i Ljusvetenskap och tillämpning , ett team av forskare ledda av professor Jiang Wu från Institute of Fundamental and Frontier Sciences, University of Electronic Science and Technology i Kina har demonstrerat en högpresterande MXene-GaN-MXene-baserad multipelkvantbrunnsfotodetektor framställd på mönstrat safirsubstrat genom enkel droppgjutning.

MXene, en ny typ av tvådimensionella (2D) material upptäcktes 2011, har många charmiga egenskaper, såsom metallisk ledningsförmåga, mekanisk flexibilitet, hydrofili, god transmittans och kemisk stabilitet, som gör att MXene kan bearbetas i lösning vid låga temperaturer och under omgivande förhållanden. Dessutom, den brett inställbara arbetsfunktionen gör MXene till en utmärkt kandidat för ohmska eller Schottky-kontakter med olika halvledarmaterial. Mer viktigt, 2D-material består av kovalent bundna atomlager i planet som interagerar svagt med varandra i riktning utanför planet. Vid avsättning på bulkhalvledarmaterial, MXene-halvledare van der Waals-övergångar som bildas vid gränssnittet är fria från kemiska störningar och har mindre defekta tillstånd, vilket skulle kunna undvika Fermi-nivånålningseffekten och minska de omvända tunnelströmmarna.

Den multipelkvantbrunnsfotodetektor som föreslagits av Jiang et al odlades på det mönstrade safirsubstratet, som kan främja epitaxial lateral overgrowth (ELOG) -läge och följaktligen minska defektdensiteten i GaN-epilager och MXene användes för att ersätta de konventionella metallerna, Au/Cr. Den MXene-GaN-MXene-baserade fotodetektorn med flera kvantbrunnar visade signifikant förbättrad responsivitet, mörk ström och brus i det blågröna ljusspektrumområdet jämfört med den konventionella motsvarigheten, vilket gör den till en potentiell kandidat för optisk detektering och kommunikation under vatten. Förbättringarna tillskrevs de lågdefekta MXene-GaN van der Waals-gränssnitten. Mer intressant, tack vare de högkvalitativa MXene-GaN van der Waals-korsningarna, som kan undertrycka den mörka strömmen och bruset och därmed skilja mindre rumslig variation av fotoströmmen i storleksordningen nanoampere, den lokaliserade ljusfokuseringen och förstärkningen av det mönstrade safirsubstratet observerades.