【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院上海技術物理研究所研究員胡偉達、陸衛與副研究員夏輝等，提出了低雪崩閾值電壓和高靈敏度的雪崩近紅外探測器新結構。該雪崩探測器基于原子層自摻雜同質結，解決了異質結中難以避免的界面缺陷態等誘導的有害散射，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(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。
雪崩紅外探測器(APD)是一類通過碰撞離化效應產生高增益，從而實現少光子甚至單光子探測能力的半導體光電器件。然而，在傳統的APD結構中，非平衡載流子散射過程導致能量損失，使得雪崩閾值電壓通常需要達到50-200V。這對于器件的驅動電壓和讀出電路設計提出了更高的要求，增加了成本，并限制了更廣泛的應用。
該研究基于原子層自摻雜的二硒化鎢同質結，設計形貌階梯突變實現空間平移對稱性破缺，從而在突變同質結界面誘導強局域“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抑制，實現非平衡載流子極低損耗的加速和倍增過程。這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。雪崩閾值電壓從50V降至1.6V，使得科研人員可以利用成熟的低壓數字電路，如同驅動二極管、三極管一樣來驅動雪崩光電探測器。此外，該雪崩近紅外探測器在線性區展現出10fA的極低暗電流，以及探測24fW入射光的極高靈敏度。
上述成果通過設計低閾值雪崩倍增效應，實現非平衡載流子能量的高效轉化和利用，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提供了新視角。
相關研究成果以Room-temperature low-threshold avalanche effect in stepwise van-der-Waals homojunction photodiodes為題，發表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。研究工作得到國家自然科學基金、中國博士后科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項(B類)等的支持。
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