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2025

复旦大学等在雪崩光电二极管方面取得进展，波长覆盖可见光至近红外

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雪崩光电二极管（APD）利用载流子倍增效应探测微弱光信号，在光通信、量子密码学、光探测与测距等领域有广泛应用。传统APD通常需要高击穿电压（如Si APD的50 V和InGaAs APD的60 V）来实现显著的增益，这限制了其在低功耗应用中的潜力。此外，异质外延生长和器件制备过程中的缺陷态通常会导致高暗电流，削弱APD的优势。在此背景下，二维（2D）层状材料因其较强的光与物质相互作用和量子限制效应，有望实现低雪崩阈值能量和高效载流子倍增的APD。研究发现，二维材料中的弱电子-声子（e-ph）耦合和强电子-空穴相互作用，能够实现高效的载流子倍增。此外，二维材料的载流子倍增现象可以通过施加小的雪崩阈值能量（低至二维材料带隙的两倍）来观察。这些研究结果表明，利用二维材料制造APD是可行的，并且可以实现低雪崩阈值能量和高效的载流子倍增。但当前基于二维材料的APD，在增益和击穿电压等方面仍存在一定的局限性。因此，寻找具有高饱和速度的二维材料并构建新型器件结构，以实现低击穿电压下的高增益，是一个非常具有挑战且有前景的研究方向。

据麦姆斯咨询报道，复旦大学、华东师范大学和中国科学院上海技术物理研究所组成的研究团队设计并制造了一种基于二维材料InSe的非对称肖特基结（Graphene/InSe/Cr）APD，展示了双侧盖革模式雪崩现象。该器件在低击穿电压（1.4 V）下实现了高达6.3×10⁷的增益，接近InSe带隙的理论阈值极限。此外，该器件还具有正温度系数的电离率和极低的临界电场（11.5 kV cm⁻¹），展现出低暗电流和噪声等效功率，能够在室温下探测到约35个光子的微弱光信号，实现了520 nm至1550 nm波段的宽光谱响应。该研究为开发高增益、低功耗的APD提供了新的策略。这项研究以“Bilateral Geiger mode avalanche in InSe Schottky photodiodes”为题发表在Nature Communications期刊上。

APD通常基于PN结（如图1a）或肖特基结（SJ，如图1d和图1e），在反向偏置下利用结的强电场（ε 场）来触发载流子撞击电离和倍增。图1展示了基于PN结和二维肖特基结的APD的能带图与传输特性。

研究团队通过构建非对称肖特基结，实现了在低击穿电压下的高效载流子倍增。图2a展示了基于非对称石墨烯/InSe和Cr/InSe结的GISC-SJ APD结构示意图。研究团队对该GISC-SJ APD的机构及电气特性进行表征，结果如图2所示。实验结果表明，该器件在低击穿电压下实现了极高的增益，并且展现出双侧盖革模式雪崩现象。