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等，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Eg(Eg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，以此来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，使得雪崩阈值电压常常要达到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，使得科研人能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fA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。
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