雪崩偵測(cè)器在量子估算、信息通信、天文觀測(cè)等眾多領(lǐng)域有著十分急迫的應(yīng)用需求。目前，傳統(tǒng)雪崩偵測(cè)器主要采用非層狀材料，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)接近材料帶隙的本征擊穿電流和高雪崩增益雪崩擊穿(avalanchebreakdown)中國百科物理，在面向未來應(yīng)用時(shí)面臨著幀率過大、靈敏度低等重大挑戰(zhàn)。探求并借助新材料被覺得是解決上述挑戰(zhàn)的有效途徑，但是，怎么設(shè)計(jì)出才能滿足上述需求的人造量子材料雪崩偵測(cè)元件是一個(gè)倍受關(guān)注的議程。
日前，北京學(xué)院化學(xué)大學(xué)梁世軍、繆峰團(tuán)隊(duì)成功制備了石墨/硒化銦(/InSe)范德華肖特基光電偵測(cè)器，首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了本征擊穿電流下的超高雪崩增益，為低煤耗、高靈敏的新型弱光偵測(cè)器的開發(fā)提供了一條可行的技術(shù)途徑。
新興的二維量子材料因?yàn)槠洫?dú)到物性，在構(gòu)建高性能光電偵測(cè)器上詮釋出了巨大的潛力。近些年來，繆峰院士團(tuán)隊(duì)專注于二維量子材料新物性的探求，并借助“原子樂高”的奇特技術(shù)途徑，在固體量子模擬器、高魯棒性憶阻器、彈道雪崩元件、類腦視覺傳感等方向相繼取得突破。在此基礎(chǔ)上，日前，該團(tuán)隊(duì)通過借助層狀I(lǐng)nSe材料內(nèi)電-聲子散射維度增加的特點(diǎn)、以及高質(zhì)量范德華肖特基結(jié)區(qū)強(qiáng)電場的優(yōu)勢(shì)，打造了/InSe范德華肖特基光電偵測(cè)器，并實(shí)現(xiàn)了接近帶隙的本征擊穿電流（1.8V）和超高的增益（3*105）。該工作為開發(fā)下一代高性能雪崩偵測(cè)器提供了新的技術(shù)途徑。
在這項(xiàng)工作中，合作研究團(tuán)隊(duì)借助和InSe范德華材料，打造了范德華肖特基雪崩偵測(cè)器（圖1a）。合作研究團(tuán)隊(duì)發(fā)覺當(dāng)/InSe肖特基結(jié)處于反偏時(shí)，降低展寬Vds至5.5V，才能形成超過五個(gè)量級(jí)的電壓跳變現(xiàn)象，這表明了雪崩擊穿現(xiàn)象的存在（圖1b）。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)采用波長為532nm、功率為6.9pW的極弱光照射元件，觀察到光電流的大幅上升，形成的雪崩增益高達(dá)3*105。隨著激光功率的降低，在Vds高于和低于擊穿電流的兩個(gè)區(qū)域中，光電流響應(yīng)表現(xiàn)出兩種迥然不同的特點(diǎn)：在Vds高于擊穿電流時(shí)，因?yàn)楣鈱?dǎo)效應(yīng)，光電流隨著光硬度的降低而漸漸降低；而在Vds低于擊穿電流時(shí)，因?yàn)榇?lián)內(nèi)阻的限制，在低功率區(qū)間內(nèi)的光電流隨著光硬度的降低幾乎沒有變化（圖1（c）和1（d））。
圖1：（a）/InSe雪崩偵測(cè)器示意圖。插圖：元件光學(xué)圖象。（b）氣溫在160K時(shí)，對(duì)數(shù)標(biāo)度下的電壓-展寬（Ids-Vds）特點(diǎn)曲線（黑線，黑暗狀態(tài)下；紅線，6.9pW的532nm激光照射下），以及相應(yīng)的雪崩增益曲線（藍(lán)線），相應(yīng)的縱座標(biāo)軸由箭頭標(biāo)示。插圖：覆蓋了負(fù)展寬范圍的線性標(biāo)度下的Ids-Vds特點(diǎn)（黑暗狀態(tài)）。（c）6.9pW至69μW激光功率范圍公測(cè)量的Ids-Vds特點(diǎn)曲線。（d）Vds為5.5V時(shí)雪崩模式下的光電流Iph（紅線）和Vds為2V歲月導(dǎo)模式下的光電流Iph（藍(lán)線）作為激光功率的函數(shù)。
圖2.（a）范德華材料中電-聲子散射維度增加的示意圖。（b）雙類型自旋參與的碰撞電離過程示意圖。（c）電離率和（d）增益作為電場硬度和平均自由程寬度的函數(shù)。紅色實(shí)線表示碰撞電離機(jī)率p等于1，此時(shí)增益M發(fā)散。（e）電離率和電離機(jī)率p在二維材料中（藍(lán)色虛線）和三維材料中（紅色虛線）作為電場硬度E的函數(shù)。紅色實(shí)線和紅色實(shí)線分別是二維材料和三維材料電離率的漸近線。水平的紅色點(diǎn)線對(duì)應(yīng)于電離機(jī)率p=1的情況。（f）二維材料（藍(lán)色虛線）和三維材料（紅色虛線）中增益作為電場硬度E的函數(shù)。垂直的黑色實(shí)線對(duì)應(yīng)于增益M是發(fā)散的情況。
合作研究團(tuán)隊(duì)通過理論估算發(fā)覺/InSe光電偵測(cè)器的優(yōu)異性能主要來始于InSe材料英超高層間勢(shì)壘造成的電-聲子散射維度的增加（圖2a）。該勢(shì)壘將自旋的輸運(yùn)行為局域在二維平面內(nèi)，有效限制了自旋的層間散射過程，致使電離機(jī)率急劇降低。不同于傳統(tǒng)雪崩材料中的單自旋電離過程（圖2b），雙柵極電離過程的特征是自旋僅需在接近帶隙的本征擊穿電流下即可發(fā)生多次碰撞電離行為，這與實(shí)驗(yàn)中觀察到的低電流高增益行為完全相符。為了進(jìn)一步確定電-聲子散射維度對(duì)碰撞電離機(jī)率的影響機(jī)制，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了層狀材料的碰撞電離模型，從理論上確立了碰撞電離機(jī)率和增益對(duì)平均自由程和電場的依賴關(guān)系，如圖2c和圖2d所示。估算結(jié)果表明二維層狀材料在強(qiáng)電場作用下碰撞電離機(jī)率才能達(dá)到100%（圖2e）且增益會(huì)發(fā)散（圖2f），而傳統(tǒng)三維材料的碰撞機(jī)率與增益均會(huì)趨向飽和。
圖3：（a）不同水溫下的Ids-Vds曲線。插圖：三個(gè)連續(xù)的自旋輸運(yùn)過程（注入，電離，和搜集）。（b）擊穿電流（Vbd）和增益隨氣溫的變化關(guān)系。InSe/Ti肖特基結(jié)反向展寬時(shí)，（c）Ids-Vds特點(diǎn)曲線和（d）擊穿電流(Vbd)和增益隨氣溫的變化關(guān)系。
進(jìn)一步雪崩擊穿(avalanchebreakdown)中國百科物理，合作研究團(tuán)隊(duì)在接近本征帶隙的擊穿電流下實(shí)現(xiàn)了高增益。如圖3a所示，隨著氣溫下降，雪崩擊穿電流不斷的增加，在室溫為260K時(shí)，雪崩擊穿電流為1.8V，這與理論預(yù)言值一致。同時(shí)，合作研究團(tuán)隊(duì)發(fā)覺自旋搜集端勢(shì)壘高度會(huì)影響擊穿電流和增益對(duì)氣溫的依賴特點(diǎn)（圖3b-3d），并強(qiáng)調(diào)，這些特點(diǎn)關(guān)系主要來始于氣溫依賴的碰撞電離過程與熱輔助自旋搜集過程的共同作用。該工作闡明了層狀范德華半導(dǎo)體材料與傳統(tǒng)共價(jià)鍵半導(dǎo)體材料中電荷碰撞電離機(jī)制的內(nèi)在區(qū)別，有望為未來開發(fā)低煤耗、高靈敏的雪崩偵測(cè)器提供全新的思路。
相關(guān)研究工作以“theandGainina/InSe”（在石墨/硒化銦肖特基光電偵測(cè)器中實(shí)現(xiàn)了本征擊穿電流和超高增益）為題于2022年10月17日在線發(fā)表在上（DOI:10.1002/adma.）。
上海學(xué)院化學(xué)大學(xué)博士生張智依、南京理工學(xué)院理大學(xué)程斌院長、新加坡科技與設(shè)計(jì)學(xué)院Lim博士和上海學(xué)院高石城博士為論文的共同第一作者，北京學(xué)院化學(xué)大學(xué)繆峰院士、梁世軍副院長、以及美國科技與設(shè)計(jì)學(xué)院YeeSinAng院士為該論文的共同通信作者。該工作得到了國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)/面上項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)B、國家重點(diǎn)研制計(jì)劃等項(xiàng)目的捐助，以及固體微結(jié)構(gòu)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心等的支持。
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