中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
近日，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員胡偉達(dá)、陸衛(wèi)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(cè)器新結(jié)構(gòu)。該雪崩探測(cè)器基于原子層自摻雜同質(zhì)結(jié)，解決了異質(zhì)結(jié)中難以避免的界面缺陷態(tài)等誘導(dǎo)的有害散射，同時(shí)利用平移對(duì)稱性破缺誘導(dǎo)的強(qiáng)局域“尖峰”電場(chǎng)增強(qiáng)載流子間的庫(kù)侖相互作用，抑制面外聲子模式主導(dǎo)的散射，實(shí)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（Eg是半導(dǎo)體的帶隙）和探測(cè)靈敏度達(dá)10000個(gè)光子級(jí)的雪崩近紅外探測(cè)器。
雪崩紅外探測(cè)器（APD）是一類通過(guò)碰撞離化效應(yīng)產(chǎn)生高增益，從而實(shí)現(xiàn)少光子甚至單光子探測(cè)能力的半導(dǎo)體光電器件。然而，在傳統(tǒng)的APD結(jié)構(gòu)中，非平衡載流子散射過(guò)程導(dǎo)致能量損失，使得雪崩閾值電壓通常需要達(dá)到50-200V。這對(duì)于器件的驅(qū)動(dòng)電壓和讀出電路設(shè)計(jì)提出了更高的要求，增加了成本，并限制了更廣泛的應(yīng)用。
該研究基于原子層自摻雜的二硒化鎢同質(zhì)結(jié)，設(shè)計(jì)形貌階梯突變實(shí)現(xiàn)空間平移對(duì)稱性破缺，從而在突變同質(zhì)結(jié)界面誘導(dǎo)強(qiáng)局域“尖峰”電場(chǎng)。同時(shí)，原子級(jí)的厚度使得面外聲子模式主導(dǎo)的散射機(jī)制被抑制，實(shí)現(xiàn)非平衡載流子極低損耗的加速和倍增過(guò)程。這使得室溫下的雪崩閾值能量接近理論極限即半導(dǎo)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(shù)字電路，如同驅(qū)動(dòng)二極管、三極管一樣來(lái)驅(qū)動(dòng)雪崩光電探測(cè)器。此外，該雪崩近紅外探測(cè)器在線性區(qū)展現(xiàn)出10fA的極低暗電流，以及探測(cè)24fW入射光的極高靈敏度。
上述成果通過(guò)設(shè)計(jì)低閾值雪崩倍增效應(yīng)，實(shí)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(cè)技術(shù)提供了新視角。
相關(guān)研究成果以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）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）等的支持。
