雪崩侦测器在量子估算、信息通信、天文观测等众多领域有着十分急迫的应用需求。目前，传统雪崩侦测器主要采用非层状材料，难以同时实现接近材料带隙的本征击穿电流和高雪崩增益雪崩击穿(avalanchebreakdown)中国百科物理，在面向未来应用时面临着帧率过大、灵敏度低等重大挑战。探求并借助新材料被觉得是解决上述挑战的有效途径，但是，怎么设计出才能满足上述需求的人造量子材料雪崩侦测元件是一个倍受关注的议程。
日前，北京学院化学大学梁世军、缪峰团队成功制备了石墨/硒化铟(/InSe)范德华肖特基光电侦测器，首次在实验上实现了本征击穿电流下的超高雪崩增益，为低煤耗、高灵敏的新型弱光侦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因为其独到物性，在构建高性能光电侦测器上诠释出了巨大的潜力。近些年来，缪峰院士团队专注于二维量子材料新物性的探求，并借助“原子乐高”的奇特技术途径，在固体量子模拟器、高鲁棒性忆阻器、弹道雪崩元件、类脑视觉传感等方向相继取得突破。在此基础上，日前，该团队通过借助层状InSe材料内电-声子散射维度增加的特点、以及高质量范德华肖特基结区强电场的优势，打造了/InSe范德华肖特基光电侦测器，并实现了接近带隙的本征击穿电流（1.8V）和超高的增益（3*105）。该工作为开发下一代高性能雪崩侦测器提供了新的技术途径。
在这项工作中，合作研究团队借助和InSe范德华材料，打造了范德华肖特基雪崩侦测器（图1a）。合作研究团队发觉当/InSe肖特基结处于反偏时，降低展宽Vds至5.5V，才能形成超过五个量级的电压跳变现象，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的极弱光照射元件，观察到光电流的大幅上升，形成的雪崩增益高达3*105。随着激光功率的降低，在Vds高于和低于击穿电流的两个区域中，光电流响应表现出两种迥然不同的特点：在Vds高于击穿电流时，因为光导效应，光电流随着光硬度的降低而渐渐降低；而在Vds低于击穿电流时，因为串联内阻的限制，在低功率区间内的光电流随着光硬度的降低几乎没有变化（图1（c）和1（d））。
图1：（a）/InSe雪崩侦测器示意图。插图：元件光学图象。（b）气温在160K时，对数标度下的电压-展宽（Ids-Vds）特点曲线（黑线，黑暗状态下；红线，6.9pW的532nm激光照射下），以及相应的雪崩增益曲线（蓝线），相应的纵座标轴由箭头标示。插图：覆盖了负展宽范围的线性标度下的Ids-Vds特点（黑暗状态）。（c）6.9pW至69μW激光功率范围公测量的Ids-Vds特点曲线。（d）Vds为5.5V时雪崩模式下的光电流Iph（红线）和Vds为2V岁月导模式下的光电流Iph（蓝线）作为激光功率的函数。
图2.（a）范德华材料中电-声子散射维度增加的示意图。（b）双类型自旋参与的碰撞电离过程示意图。（c）电离率和（d）增益作为电场硬度和平均自由程宽度的函数。红色实线表示碰撞电离机率p等于1，此时增益M发散。（e）电离率和电离机率p在二维材料中（蓝色虚线）和三维材料中（红色虚线）作为电场硬度E的函数。红色实线和红色实线分别是二维材料和三维材料电离率的渐近线。水平的红色点线对应于电离机率p=1的情况。（f）二维材料（蓝色虚线）和三维材料（红色虚线）中增益作为电场硬度E的函数。垂直的黑色实线对应于增益M是发散的情况。
合作研究团队通过理论估算发觉/InSe光电侦测器的优异性能主要来始于InSe材料英超高层间势垒造成的电-声子散射维度的增加（图2a）。该势垒将自旋的输运行为局域在二维平面内，有效限制了自旋的层间散射过程，致使电离机率急剧降低。不同于传统雪崩材料中的单自旋电离过程（图2b），双栅极电离过程的特征是自旋仅需在接近带隙的本征击穿电流下即可发生多次碰撞电离行为，这与实验中观察到的低电流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机率的影响机制，团队构建了层状材料的碰撞电离模型，从理论上确立了碰撞电离机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。估算结果表明二维层状材料在强电场作用下碰撞电离机率才能达到100%（图2e）且增益会发散（图2f），而传统三维材料的碰撞机率与增益均会趋向饱和。
图3：（a）不同水温下的Ids-Vds曲线。插图：三个连续的自旋输运过程（注入，电离，和搜集）。（b）击穿电流（Vbd）和增益随气温的变化关系。InSe/Ti肖特基结反向展宽时，（c）Ids-Vds特点曲线和（d）击穿电流(Vbd)和增益随气温的变化关系。
进一步雪崩击穿(avalanchebreakdown)中国百科物理，合作研究团队在接近本征带隙的击穿电流下实现了高增益。如图3a所示，随着气温下降，雪崩击穿电流不断的增加，在室温为260K时，雪崩击穿电流为1.8V，这与理论预言值一致。同时，合作研究团队发觉自旋搜集端势垒高度会影响击穿电流和增益对气温的依赖特点（图3b-3d），并强调，这些特点关系主要来始于气温依赖的碰撞电离过程与热辅助自旋搜集过程的共同作用。该工作阐明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，有望为未来开发低煤耗、高灵敏的雪崩侦测器提供全新的思路。
相关研究工作以“theandGainina/InSe”（在石墨/硒化铟肖特基光电侦测器中实现了本征击穿电流和超高增益）为题于2022年10月17日在线发表在上（DOI:10.1002/adma.）。
上海学院化学大学博士生张智依、南京理工学院理大学程斌院长、新加坡科技与设计学院Lim博士和上海学院高石城博士为论文的共同第一作者，北京学院化学大学缪峰院士、梁世军副院长、以及美国科技与设计学院YeeSinAng院士为该论文的共同通信作者。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、国家重点研制计划等项目的捐助，以及固体微结构化学国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等的支持。
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