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中科院上海技物所关于室温低阈值雪崩红外探测器的研究获进展
来源:本站原创  浏览次数:596  发布时间:2024-07-10

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EgEg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。

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。

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