近日，紅外科學與技術(shù)重點實驗室胡偉達、夏輝、陸衛(wèi)等提出一種低雪崩閾值電壓和高靈敏度的雪崩近紅外探測器新結(jié)構(gòu)。該雪崩探測器基于原子層自摻雜同質(zhì)結(jié)（如圖1圖所示），從根本上解決了異質(zhì)結(jié)中難以避免的界面缺陷態(tài)等誘導的有害散射，同時利用平移對稱性破缺誘導的強局域“尖峰”電場增強載流子間的庫侖相互作用，抑制面外聲子模式主導的散射，實現(xiàn)了非平衡載流子高倍增效率，在室溫下獲得了閾值能量接近理論極限Eg（其中Eg是半導體的帶隙）和探測靈敏度達10000個光子級的雪崩近紅外探測器。這一成果以“Room-temperature low-threshold avalanche effect in stepwise van-der-Waals homojunction photodiodes”為題，發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications)雜志上。

雪崩紅外探測器（APD）是一類通過碰撞離化效應產(chǎn)生高增益，從而實現(xiàn)少光子甚至單光子探測能力的半導體光電器件，在遠程自由空間光通信、紅外偵察、光探測及測距系統(tǒng)等領域有廣泛的應用。然而，在傳統(tǒng)的APD結(jié)構(gòu)中，非平衡載流子散射過程導致了巨大的能量損失，從而使得雪崩閾值電壓通常需要達到50-200V（例如，Si和InGaAs APD的典型雪崩閾值電壓分別為120V和50V）。這對于器件的驅(qū)動電壓和讀出電路設計提出了嚴格的要求，大大增加了成本，并嚴重限制了其更廣泛的應用。二維范德華材料（如黑磷、石墨烯和過渡金屬硫化物等）由于原子層數(shù)依賴的能帶結(jié)構(gòu)和輸運性質(zhì)、大表面積體積比和豐富的帶隙結(jié)構(gòu)等物理特性，為研制高性能APD提供了新的思路。一方面，二維材料原子級（3-4 ?）厚度導致了強量子尺寸效應，使得庫侖相互作用顯著增強，因此非常有利于載流子間的能量交換和倍增過程的實現(xiàn)。另外，范德華材料具有遠高于體材料的激子結(jié)合能（幾百meV），電子-聲子耦合效率低，因此能實現(xiàn)更長的載流子壽命，有利于降低電-聲子散射過程造成的能量損耗。除此之外，范德華材料表面無懸掛鍵，表面漏電流被抑制，且原子級的厚度使其本征載流子濃度易受局域場調(diào)控，小尺寸也使得與體積相關的擴散電流顯著降低。這些物理特性為發(fā)展新的雪崩探測機理和器件結(jié)構(gòu)提供了新的設計思路。

在本項工作中，研究團隊基于原子層自摻雜的WSe2（二硒化鎢）同質(zhì)結(jié)，巧妙的設計形貌階梯突變實現(xiàn)空間平移對稱性破缺，從而在突變同質(zhì)結(jié)界面誘導強局域“尖峰”電場，同時原子級的厚度使得面外聲子模式主導的散射機制被顯著抑制，最終實現(xiàn)非平衡載流子極低損耗的加速和倍增過程。這一突破使得室溫下的雪崩閾值能量接近理論極限，即半導體材料帶隙Eg，因此雪崩閾值電壓從50V降至1.6V，使得我們可以利用成熟的低壓數(shù)字電路，像驅(qū)動二極管、三極管一樣來驅(qū)動雪崩光電探測器。另外，該雪崩近紅外探測器在線性區(qū)展現(xiàn)出10fA的極低暗電流，以及探測24fW入射光（等效入射光子數(shù)為10000個）的極高靈敏度（典型Si功率計靈敏度：500pW）。該成果通過設計低閾值雪崩倍增效應，從而實現(xiàn)非平衡載流子能量的高效轉(zhuǎn)化和利用，為研制下一代高靈敏、低閾值及高增益的雪崩紅外探測技術(shù)提供新的視角。

這項研究成果由中國科學院上海技術(shù)物理研究所、上?？萍即髮W、香港中文大學等單位共同完成。紅外科學與技術(shù)重點實驗室夏輝副研究員、胡偉達研究員、陸衛(wèi)研究員為論文通訊作者，王海露博士后為論文第一作者。該項目得到了中國科學院B類先導專項、國家自然科學基金、上海市科委、中國博士后科學基金等項目的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47958-2

圖1 （a）WSe2同質(zhì)結(jié)雪崩近紅外探測器室溫工作條件下的I-V特性曲線。插圖為器件結(jié)構(gòu)示意圖；（b）同質(zhì)結(jié)界面附近的透射電子顯微鏡和X射線能譜分析圖像；（c）4層和39層WSe2材料的拉曼光譜；（d）光照和黑暗條件下器件的雪崩增益或倍增因子；（e）變溫I-V特性曲線。