近日，红外科学与技术重点实验室胡伟达、夏辉、陆卫等提出一种低雪崩阈值电压和高灵敏度的雪崩近红外探测器新结构。该雪崩探测器基于原子层自掺杂同质结（如图1图所示），从根本上解决了异质结中难以避免的界面缺陷态等诱导的有害散射，同时利用平移对称性破缺诱导的强局域“尖峰”电场增强载流子间的库仑相互作用，抑制面外声子模式主导的散射，实现了非平衡载流子高倍增效率，在室温下获得了阈值能量接近理论极限Eg（其中Eg是半导体的带隙）和探测灵敏度达10000个光子级的雪崩近红外探测器。这一成果以“Room-temperature low-threshold avalanche effect in stepwise van-der-Waals homojunction photodiodes”为题，发表在《自然·通讯》(Nature Communications)杂志上。
雪崩红外探测器（APD）是一类通过碰撞离化效应产生高增益，从而实现少光子甚至单光子探测能力的半导体光电器件，在远程自由空间光通信、红外侦察、光探测及测距系统等领域有广泛的应用。然而，在传统的APD结构中，非平衡载流子散射过程导致了巨大的能量损失，从而使得雪崩阈值电压通常需要达到50-200V（例如，Si和InGaAs APD的典型雪崩阈值电压分别为120V和50V）。这对于器件的驱动电压和读出电路设计提出了严格的要求，大大增加了成本，并严重限制了其更广泛的应用。二维范德华材料（如黑磷、石墨烯和过渡金属硫化物等）由于原子层数依赖的能带结构和输运性质、大表面积体积比和丰富的带隙结构等物理特性，为研制高性能APD提供了新的思路。一方面，二维材料原子级（3-4 Å）厚度导致了强量子尺寸效应，使得库仑相互作用显著增强，因此非常有利于载流子间的能量交换和倍增过程的实现。另外，范德华材料具有远高于体材料的激子结合能（几百meV），电子-声子耦合效率低，因此能实现更长的载流子寿命，有利于降低电-声子散射过程造成的能量损耗。除此之外，范德华材料表面无悬挂键，表面漏电流被抑制，且原子级的厚度使其本征载流子浓度易受局域场调控，小尺寸也使得与体积相关的扩散电流显著降低。这些物理特性为发展新的雪崩探测机理和器件结构提供了新的设计思路。
在本项工作中，研究团队基于原子层自掺杂的WSe2（二硒化钨）同质结，巧妙的设计形貌阶梯突变实现空间平移对称性破缺，从而在突变同质结界面诱导强局域“尖峰”电场，同时原子级的厚度使得面外声子模式主导的散射机制被显著抑制，最终实现非平衡载流子极低损耗的加速和倍增过程。这一突破使得室温下的雪崩阈值能量接近理论极限，即半导体材料带隙Eg，因此雪崩阈值电压从50V降至1.6V，使得我们可以利用成熟的低压数字电路，像驱动二极管、三极管一样来驱动雪崩光电探测器。另外，该雪崩近红外探测器在线性区展现出10fA的极低暗电流，以及探测24fW入射光（等效入射光子数为10000个）的极高灵敏度（典型Si功率计灵敏度：500pW）。该成果通过设计低阈值雪崩倍增效应，从而实现非平衡载流子能量的高效转化和利用，为研制下一代高灵敏、低阈值及高增益的雪崩红外探测技术提供新的视角。
这项研究成果由中国科学院上海技术物理研究所、上海科技大学、香港中文大学等单位共同完成。红外科学与技术重点实验室夏辉副研究员、胡伟达研究员、陆卫研究员为论文通讯作者，王海露博士后为论文第一作者。该项目得到了中国科学院B类先导专项、国家自然科学基金、上海市科委、中国博士后科学基金等项目的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47958-2
图1 （a）WSe2同质结雪崩近红外探测器室温工作条件下的I-V特性曲线。插图为器件结构示意图；（b）同质结界面附近的透射电子显微镜和X射线能谱分析图像；（c）4层和39层WSe2材料的拉曼光谱；（d）光照和黑暗条件下器件的雪崩增益或倍增因子；（e）变温I-V特性曲线。
供稿、供图：夏辉
编辑：虞慧娴
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