【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(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)，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，同時利用平移對稱性破缺誘導(dǎo)的強(qiáng)局域“尖峰”電場增強(qiáng)載流子間的庫侖相互作用，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)和探測靈敏度達(dá)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(yīng)產(chǎn)生高增益，從而實(shí)現(xiàn)少光子甚至單光子探測能力的半導(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。這對于器件的驅(qū)動電壓和讀出電路設(shè)計提出了更高的要求，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)計形貌階梯突變實(shí)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(dǎo)強(qiáng)局域“尖峰”電場。同時，原子級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)動二極管、三極管一樣來驅(qū)動雪崩光電探測器。此外，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入射光的極高靈敏度。
上述成果通過設(shè)計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。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(B類)等的支持。
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