雪崩探测器在量子计算、信息通讯、天文观测等诸多领域有着非常迫切的应用需求。目前，传统雪崩探测器主要采用非层状材料，无法同时实现接近材料带隙的本征击穿电压和高雪崩增益，在面向未来应用时面临着功耗过大、灵敏度低等重大挑战。探索并利用新材料被认为是解决上述挑战的有效途径，然而，如何设计出能够满足上述需求的人造量子材料雪崩探测器件是一个备受关注的议题。
近日，南京大学物理学院梁世军、缪峰团队成功制备了石墨/硒化铟(graphite/InSe)范德华肖特基光电探测器，首次在实验上实现了本征击穿电压下的超高雪崩增益，为低能耗、高灵敏的新型弱光探测器的开发提供了一条可行的技术途径。
新兴的二维量子材料由于其独特物性，在构筑高性能光电探测器上展现出了巨大的潜力。近年来，缪峰教授团队专注于二维量子材料新物性的探索，并利用“原子乐高”的独特技术途径，在固体量子模拟器、高鲁棒性忆阻器、弹道雪崩器件、类脑视觉传感器等方向陆续取得突破。在此基础上，近日，该团队通过利用层状InSe材料内电-声子散射维度降低的特性、以及高质量范德华肖特基结区强电场的优势，构筑了graphite/InSe范德华肖特基光电探测器，并实现了接近带隙的本征击穿电压（1.8 V）和超高的增益（3*105）。该工作为开发下一代高性能雪崩探测器提供了新的技术途径。
在这项工作中，合作研究团队利用graphite和InSe范德华材料，构筑了范德华肖特基雪崩探测器（图1a）。合作研究团队发现当graphite/InSe肖特基结处于反偏时，增加偏压Vds至5.5 V，能够产生超过五个量级的电流跳变现象，这表明了雪崩击穿现象的存在（图1b）。进一步，研究团队采用波长为532nm、功率为6.9pW的极弱光照射器件，观察到光电流的急剧上升，产生的雪崩增益高达3*105。随着激光功率的增加，在Vds低于和高于击穿电压的两个区域中，光电流响应表现出两种截然不同的特征：在Vds低于击穿电压时，由于光导效应，光电流随着光强度的增加而逐渐增加；而在Vds高于击穿电压时，由于串联电阻的限制，在低功率区间内的光电流随着光强度的增加几乎没有变化（图1（c）和1（d））。
图1：（a）graphite/InSe雪崩探测器示意图。插图：器件光学图像。（b）温度在160K时，对数标度下的电流-偏压（Ids-Vds）特性曲线（黑线，黑暗状态下；红线，6.9 pW的532 nm激光照射下），以及相应的雪崩增益曲线（蓝线），相应的纵坐标轴由箭头标识。插图：覆盖了负偏压范围的线性标度下的Ids-Vds特性（黑暗状态）。（c）6.9 pW至69μW激光功率范围内测量的Ids-Vds特性曲线。（d）Vds为5.5V时雪崩模式下的光电流Iph（红线）和Vds为2V时光导模式下的光电流Iph（蓝线）作为激光功率的函数。
图2.（a）范德华材料中电-声子散射维度降低的示意图。（b）双类型载流子参与的碰撞电离过程示意图。（c）电离率和（d）增益作为电场强度和平均自由程长度的函数。黑色虚线表示碰撞电离概率p等于1，此时增益M发散。（e）电离率和电离概率p在二维材料中（红色实线）和三维材料中（蓝色实线）作为电场强度E的函数。黑色虚线和蓝色虚线分别是二维材料和三维材料电离率的渐近线。水平的黑色点线对应于电离概率p=1的情况。（f）二维材料（红色实线）和三维材料（蓝色实线）中增益作为电场强度E的函数。垂直的灰色虚线对应于增益M是发散的情况。
合作研究团队通过理论计算发现graphite/InSe光电探测器的优异性能主要来源于InSe材料中超高层间势垒导致的电-声子散射维度的降低（图2a）。该势垒将载流子的输运行为局域在二维平面内，有效限制了载流子的层间散射过程，使得电离概率大幅增加。不同于传统雪崩材料中的单载流子电离过程（图2b），双载流子电离过程的特点是载流子仅需在接近带隙的本征击穿电压下即可发生多次碰撞电离行为，这与实验中观察到的低电压高增益行为完全相符。为了进一步确定电-声子散射维度对碰撞电离概率的影响机制，团队建立了层状材料的碰撞电离模型，从理论上确立了碰撞电离概率和增益对平均自由程和电场的依赖关系，如图2c和图2d所示。计算结果表明二维层状材料在强电场作用下碰撞电离概率能够达到100%（图2e）且增益会发散（图2f），而传统三维材料的碰撞概率与增益均会趋于饱和。
图3：（a）不同温度下的Ids-Vds曲线。插图：三个连续的载流子输运过程（注入，电离，和收集）。（b）击穿电压（Vbd）和增益随温度的变化关系。InSe/Ti肖特基结反向偏压时，（c）Ids-Vds特性曲线和（d）击穿电压(Vbd)和增益随温度的变化关系。
进一步，合作研究团队在接近本征带隙的击穿电压下实现了高增益。如图3a所示，随着温度升高，雪崩击穿电压不断的降低，在温度为260 K时，雪崩击穿电压为1.8 V，这与理论预言值一致。同时，合作研究团队发现载流子收集端势垒高度会影响击穿电压和增益对温度的依赖特性（图3b-3d），并指出，这种特性关系主要来源于温度依赖的碰撞电离过程与热辅助载流子收集过程的共同作用。该工作揭示了层状范德华半导体材料与传统共价键半导体材料中电荷碰撞电离机制的内在区别，有望为未来开发低能耗、高灵敏的雪崩探测器提供全新的思路。
相关研究工作以“Approaching the Intrinsic Threshold Breakdown Voltage and Ultrahigh Gain in a Graphite/InSe Schottky Photodetector”（在石墨/硒化铟肖特基光电探测器中实现了本征击穿电压和超高增益）为题于 2022年10月17日在线发表在Advanced Materials上（DOI: 10.1002/adma.202206196）。
南京大学物理学院博士生张智依、南京理工大学理学院程斌教授、新加坡科技与设计大学Jeremy Lim博士和南京大学高安远博士为论文的共同第一作者，南京大学物理学院缪峰教授、梁世军副教授、以及新加坡科技与设计大学Yee Sin Ang教授为该论文的共同通讯作者。该工作得到了国家优秀青年科学基金、国家自然科学基金重点/面上项目、中科院先导B、国家重点研发计划等项目的资助，以及固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等的支持。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202206196