据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院上海技术物理研究所研究员胡伟达、陆卫与副研究员夏辉等，提出了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，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（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。
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。然而，在传统的APD结构中，非平衡载流子散射过程导致能量损失，使得雪崩阈值电压通常需要达到50-200V。这对于器件的驱动电压和读出电路设计提出了更高的要求，增加了成本，并限制了更广泛的应用。
该研究基于原子层自掺杂的二硒化钨同质结，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抑制，实现非平衡载流子极低损耗的加速和倍增过程。这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。雪崩阈值电压从50V降至1.6V，使得科研人员可以利用成熟的低压数字电路，如同驱动二极管、三极管一样来驱动雪崩光电探测器。此外，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入射光的极高灵敏度。
用于电荷载流子雪崩的过渡金属二硫属化物（TMD）和块状材料
过渡金属二硫属化物（TMD）雪崩光电二极管及其光电特性
上述成果通过设计低阈值雪崩倍增效应，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了新视角。
相关研究成果以Room-temperature low-threshold avalanche effect in stepwise van-der-Waals homojunction photodiodes为题，发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。研究工作得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中国科学院战略性先导科技专项（B类）等的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-47958-2
