雪崩偵測器在量子估算、信息通信、天文觀測等眾多領域有著十分急迫的應用需求。目前，傳統雪崩偵測器主要采用非層狀材料，難以同時實現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，在面向未來應用時面臨著幀率過大、靈敏度低等重大挑戰。探求并借助新材料被覺得是解決上述挑戰的有效途徑，但是，怎么設計出才能滿足上述需求的人造量子材料雪崩偵測元件是一個倍受關注的議程。
日前，北京學院化學大學梁世軍、繆峰團隊成功制備了石墨/硒化銦(/InSe)范德華肖特基光電偵測器，首次在實驗上實現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器的開發提供了一條可行的技術途徑。
新興的二維量子材料因為其獨到物性，在構建高性能光電偵測器上詮釋出了巨大的潛力。近些年來，繆峰院士團隊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。在此基礎上，日前，該團隊通過借助層狀InSe材料內電-聲子散射維度增加的特點、以及高質量范德華肖特基結區強電場的優勢，打造了/InSe范德華肖特基光電偵測器，并實現了接近帶隙的本征擊穿電流（1.8V）和超高的增益（3*105）。該工作為開發下一代高性能雪崩偵測器提供了新的技術途徑。
在這項工作中，合作研究團隊借助和InSe范德華材料，打造了范德華肖特基雪崩偵測器（圖1a）。合作研究團隊發覺當/InSe肖特基結處于反偏時，降低展寬Vds至5.5V，才能形成超過五個量級的電壓跳變現象，這表明了雪崩擊穿現象的存在（圖1b）。進一步，研究團隊采用波長為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區域中，光電流響應表現出兩種迥然不同的特點：在Vds高于擊穿電流時，因為光導效應，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，因為串聯內阻的限制，在低功率區間內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雪崩偵測器示意圖。插圖：元件光學圖象。（b）氣溫在160K時，對數標度下的電壓-展寬（Ids-Vds）特點曲線（黑線，黑暗狀態下；紅線，6.9pW的532nm激光照射下），以及相應的雪崩增益曲線（藍線），相應的縱座標軸由箭頭標示。插圖：覆蓋了負展寬范圍的線性標度下的Ids-Vds特點（黑暗狀態）。（c）6.9pW至69μW激光功率范圍公測量的Ids-Vds特點曲線。（d）Vds為5.5V時雪崩模式下的光電流Iph（紅線）和Vds為2V歲月導模式下的光電流Iph（藍線）作為激光功率的函數。
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。紅色實線表示碰撞電離機率p等于1，此時增益M發散。（e）電離率和電離機率p在二維材料中（藍色虛線）和三維材料中（紅色虛線）作為電場硬度E的函數。紅色實線和紅色實線分別是二維材料和三維材料電離率的漸近線。水平的紅色點線對應于電離機率p=1的情況。（f）二維材料（藍色虛線）和三維材料（紅色虛線）中增益作為電場硬度E的函數。垂直的黑色實線對應于增益M是發散的情況。
合作研究團隊通過理論估算發覺/InSe光電偵測器的優異性能主要來始于InSe材料英超高層間勢壘造成的電-聲子散射維度的增加（圖2a）。該勢壘將自旋的輸運行為局域在二維平面內，有效限制了自旋的層間散射過程，致使電離機率急劇降低。不同于傳統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生多次碰撞電離行為，這與實驗中觀察到的低電流高增益行為完全相符。為了進一步確定電-聲子散射維度對碰撞電離機率的影響機制，團隊構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率和增益對平均自由程和電場的依賴關系，如圖2c和圖2d所示。估算結果表明二維層狀材料在強電場作用下碰撞電離機率才能達到100%（圖2e）且增益會發散（圖2f），而傳統三維材料的碰撞機率與增益均會趨向飽和。
圖3：（a）不同水溫下的Ids-Vds曲線。插圖：三個連續的自旋輸運過程（注入，電離，和搜集）。（b）擊穿電流（Vbd）和增益隨氣溫的變化關系。InSe/Ti肖特基結反向展寬時，（c）Ids-Vds特點曲線和（d）擊穿電流(Vbd)和增益隨氣溫的變化關系。
進一步雪崩擊穿(avalanchebreakdown)中國百科物理，合作研究團隊在接近本征帶隙的擊穿電流下實現了高增益。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，雪崩擊穿電流為1.8V，這與理論預言值一致。同時，合作研究團隊發覺自旋搜集端勢壘高度會影響擊穿電流和增益對氣溫的依賴特點（圖3b-3d），并強調，這些特點關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體材料與傳統共價鍵半導體材料中電荷碰撞電離機制的內在區別，有望為未來開發低煤耗、高靈敏的雪崩偵測器提供全新的思路。
相關研究工作以“theandGainina/InSe”（在石墨/硒化銦肖特基光電偵測器中實現了本征擊穿電流和超高增益）為題于2022年10月17日在線發表在上（DOI:10.1002/adma.）。
上海學院化學大學博士生張智依、南京理工學院理大學程斌院長、新加坡科技與設計學院Lim博士和上海學院高石城博士為論文的共同第一作者，北京學院化學大學繆峰院士、梁世軍副院長、以及美國科技與設計學院YeeSinAng院士為該論文的共同通信作者。該工作得到了國家優秀青年科學基金、國家自然科學基金重點/面上項目、中科院先導B、國家重點研制計劃等項目的捐助，以及固體微結構化學國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心等的支持。
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