科学背景
雪崩光电二极管（APD）利用载流子倍增效应检测微弱光信号，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，2D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，2D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2D材料带隙的两倍）来观察。这些研究结果表明，利用2D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2D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2D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。
创新成果
复旦大学光电研究院褚君浩/王建禄/陈艳研究团队，设计并制造了一种基于非对称肖特基结（Graphene/InSe/Cr）的APD，利用InSe的物理特性（如较大的载流子迁移率）和不同功函数的电极（Graphene和Cr）来实现高效的载流子注入和倍增（图1）。实验结果表明，该雪崩探测器在低击穿电压下实现了高增益，并且展现出双边盖革模式雪崩现象。通过调整肖特基势垒的高度和宽度，优化载流子的注入效率和倍增区域后，实现了低功耗和高增益的APD性能。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），并展现出低暗电流和噪声等效功率，能够在室温下检测到约35个光子的微弱光信号。该研究为开发高增益、低功耗的雪崩光电二极管提供了新的策略。
这项研究成果以“Bilateral Geiger mode avalanche in InSe Schottky photodiodes”为题，发表于国际著名学术期刊《Nature Communications》上。复旦大学光电研究院赵东洋博士后为文章的第一作者，陈艳青年副研究员为文章的共同第一作者兼通讯作者，华东师范大学白伟教授、上海技术物理研究所王旭东副研究员为论文共同通讯作者。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金项目的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62383-9
图1 a. Graphene/InSe/Cr 肖特基结APD器件结构示意图；b. 器件在300K和100K的双边雪崩击穿特性曲线；c. Graphene/InSe/Cr 肖特基结APD与传统半导体APD及其他二维材料APD的击穿电压（Vbd）与增益（M）关系对比；d. 300K和520 nm激光波长，70.7fW至418.7fW功率范围内暗态及光照下器件的I-V曲线；e. 520nm入射光波长下不同反向偏压Ia的3dB带宽；f. 300K时器件在不同偏压下的噪声电流随频率变化曲线。
