研究背景
雪崩光电探测器在低光成像、遥感和量子通信等应用中的弱信号探测中发挥着关键作用。信噪比(SNR)是APDs最重要的指标，需要高增益和低暗电流，这是一个具有挑战性的平衡。传统的APDs通过冲击电离获得光电增益，其中p-n结空间电荷区域的光生载流子在高电场下加速。然而，这需要大偏置，导致功率消耗增加和热效应加剧，通常需要温度补偿来保持稳定性。更关键的是，冲击电离固有的随机性引入了大量的多余噪声，使固有的散粒噪声复杂化，并显著限制了信噪比，特别是在微弱信号探测中。创新的设计，如分离的吸收和倍增(SAM)结构已被提出，以减轻多余噪声。然而，它们在制造中引入了复杂性，并且由于界面状态和本征材料性质而潜在地增加了暗电流。利用2D材料的范德华(vdW)异质结在开发高性能APDs方面取得了进展。值得注意的是，在垂直InSe/BP异质结中采用弹道雪崩机制，利用亚平均平均自由程(MFP)，实现了更有序的冲击电离过程，从而降低了10 K时的噪声。APDs中的碰撞电离过程受到“加速度”(局部电场强度)和“跑道”(MFP)的双重影响，其中MFP在决定碰撞载流子的动能方面起着关键作用。扩展加速需要长沟道结构。因此，采用单材料器件提供了实现高增益和低噪声的最佳解决方案，尽管传统观点认为，在块材中，MFP受到杂质，缺陷或粒子相互作用引起的量子效应的限制。特别是在本征双极性2D半导体中，低本征载流子浓度，对外部调制高度敏感，表明载流子输运类型受接触电极功函数的深刻影响。此外，原子尺度的厚度自然有利于光生载流子的低散射传输。
成果介绍
有鉴于此，近日，中国科学院上海技术物理研究所的李冠海、陈效双、陆卫研究员团队设计了一种2D Pt/WSe2/Ni雪崩光电探测器(APD)，用于室温下的超微弱信号探测。通过微调功函数，在小偏置下实现了10-14 A的超低暗电流，噪声等效功率(NEP)为8.09 fW/Hz1/2。这种性能是由有效的暗势垒阻挡和本征WSe2中创纪录的长电子平均自由程(123 nm)驱动的，最大限度地减少了暗载流子的补充，并在超低电场下抑制了噪声。本文的APD在20 kHz的调制频率下具有5×105的高增益，有效地平衡了增益和带宽，这是传统光伏APD的常见挑战。通过解决高噪声和低增益的典型挑战，并最大限度地减少对高电场的依赖，这项工作突出了2D材料在开发高效、低功耗和超灵敏光电探测方面的潜力。文章以“Achieving a Noise Limit with a Few-layer WSe2 Avalanche Photodetector at Room Temperature”为题发表在著名期刊Nano Letters上。
图文导读
图1. Pt/WSe2/Ni APD的结构与表征。（a）Pt/WSe2/Ni APD的示意图。（b）TEM图像。（c）EDS成像。（d）本征WSe2的拉曼光谱。（e）本征WSe2与金属界面的能带对齐图。
图1a是Pt/WSe2/Ni APD的示意图。在高反向偏置下，Pt界面处的肖特基势垒有效地阻挡了暗载流子，而光生载流子则得到了充分的加速，在较低的电场下促进了雪崩倍增，从而最大限度地减少了噪声。图1b显示了TEM图像，突出显示了WSe2层与电极之间的界面，材料厚度约为5.5 nm。界面的完整性表明，通过底部电极制备可以避免金属沉积过程中对材料表面的损伤，突出了制造工艺的有效性。在图1c中，EDS测量阐明了元素在电极-材料界面的分布，确认了均匀性和组成的准确性。WSe2的拉曼光谱如图1d所示，在E2g和A1g处呈现特征峰，与标准WSe2拉曼特征一致，证明了材料的晶体质量。图1e显示了该器件在Pt正极和Ni负极之间形成的面内肖特基结，其特点是具有高势垒，有助于有效调制载流子输运和降低噪声。
图2. 偏置下Pt/WSe2/Ni APD的工作机理及光电行为。（a）反向偏置下Pt/WSe2/Ni APD的能带示意图，显示了势垒效应和载流子动力学。（b）Pt/WSe2/Ni APD上的接触电位差。（c）反向偏置下的I-V特性显示了APD响应与520 nm波长激光功率的关系，描绘了雪崩光探测过程。（d）不同电场下的暗电流和光电流增益图，突出了器件在不同工作状态下的电学行为。（e）Pt/WSe2/Ni探测器与已有低维材料器件的光电增益和工作温度比较。（f）Pt/WSe2/Ni APD在不同偏置电压下的转移曲线显示雪崩击穿电压随负栅极电压增加而增加，证实了雪崩机制的电子性质而不是器件的光电导性。
图2a说明了Pt/WSe2/Ni APD在反向偏置下的能带图，其中反向偏置电压的增加逐渐增强了内建电场。Ni电极接地，并在Pt电极上施加反向偏置电压。值得注意的是，Pt/WSe2界面保持了高势垒，有效地阻挡了通常会引起雪崩效应的暗载流子。相反，施加正向偏置会导致沟道的能带向上移动，降低Pt/WSe2接触势垒，促进正向电流流动。对Pt/WSe2/Ni APD进行了表面电位测量，图2b显示正极和沟道之间的接触电位差约为350 mV，负极和沟道之间的接触电位差约为50 mV。图2c显示了I-V特性，显示了在低于-3 V的偏置电平下10-14 A的极低暗电流。增加激光强度使光电流雪崩发生的时间提前，描绘出两个不同的雪崩阶段：从0到-15 V的线性区域，过渡到超过-15 V的非线性区域。在图2d中，器件的暗电流和增益分别以线性和对数尺度绘制。理论上增益在V=0时达到1。然而，由于光伏效应和测量不精度等因素造成的实际偏差，需要基于稳定和可测量的暗电流数据定义“单位增益”点。在电场强度约为50 kV/cm时，光电流增益达到5×105，这明显低于传统硅APDs中通常观察到的雪崩引发场强度。实验表明，随着厚度增加，I-V响应从陡峭到平滑，而雪崩阈值电压随着沟道长度线性增加。为了进一步证明Pt/WSe2/Ni APD卓越的高增益和室温工作性能，将其工作温度和增益与各种低维材料APDs进行了比较，如图2e所示。无论器件是基于异质结还是单一材料结构，本文的器件都能在室温下实现最高的雪崩增益。为了揭示Pt/WSe2/Ni器件的雪崩性质，通过在原始结构中添加栅极制备了一个类似MOSFET的器件，并评估了其转移特性曲线，如图2f所示。实现了22.67 mV/dec的亚阈值摆幅(SS)，正极偏置电压的加需要相应的栅极阈值电压上升，说明了Pt/WSe2/Ni APD中雪崩过程的电子性质。相比之下，低维器件中的光电导率与光生载流子的寿命密切相关，通常受到界面缺陷的影响。由于光致浮栅效应，转移曲线中的ΔVg移动通常证明了这一点，其中栅极电压增强了光致浮栅效应，从而导致大增益。本文的Pt/WSe2/Ni APD在不同光功率下的转移曲线没有ΔVg移动，证实了雪崩增益比光电导机制更重要。
图3. 不同金属接触下WSe2的极性演化及平均自由程分析。（a）V=-1 V时Cr/WSe2/Cr、Ni/WSe2/Ni和Pd/WSe2/Pd器件与V=-10 V时Pt/WSe2/Pt器件的转移曲线，显示了通过金属/WSe2界面的导电行为调制。（b）对比分析了不同金属的功函数与本征WSe2的关系，阐明了界面的取向和势垒。（c）520 nm激光照射下具有不同金属电极的器件光电流与暗电流比值。（d）在80 K下，沟道长度为4.3 μm和3.3 μm的器件测量和模拟I-V特性叠加，说明了模拟在低温条件下捕获器件物理的准确性。（e）冲击电离率α与电场强度(E)和平均自由程长度λ的关系图。
为了阐明弱电场诱导雪崩效应背后的机制，本文初步评估了各种金属与WSe2本征功函数的相容性。本文制作了一系列具有不同金属电极的金属-半导体-金属(MSM)器件，如图3a所示。转移曲线表明，随着金属功函数增加，WSe2从电子电导率转变为双极性电导率，最终转变为空穴电导率。值得注意的是，Ni/WSe2界面显示出明显的双极性特性，这归因于它们相应的工函数。图3b提供了不同金属相对于本征WSe2功函数的功函数比较分析。图3c显示，采用Ni电极的MSM器件在-30 V时获得了优越的开关比，证实了Ni能够保持WSe2的本征性质。对两个沟道长度分别为4.3 μm和3.3 μm的Ni/WSe2/Ni器件进行了测量，并将其与模拟输出电流进行了关联。如图3d所示，模拟结果与实验结果非常吻合。为了解码载流子输运动力学，本文评估了冲击电离率，考虑了冲击电离系数对电场(E)和电子平均自由程(MFP，λ)的依赖，如图3e所示。本文的研究结果表明，电子MFP高达123 nm，空穴MFP为38.7 nm，这反映了原子层在本征WSe2及其未掺杂状态下散射尺寸的减小，从而促进了Pt/WSe2/Ni APD在低电场下的高增益。
图4. Pt/WSe2/Ni APD的噪声特性及噪声等效功率。（a）300 K时噪声功率谱密度与频率的关系。（b）计算Pt/WSe2/Ni APD的多余噪声因子，与增益和电场强度作对比。（c）入射520 nm激光功率与产生的光电流之间的关系。（d）低激光照射下的器件响应率和外量子效率。（e）不同增益的Pt/WSe2/Ni APD的NEP测量，突出了该器件探测超弱信号的能力。（f）对比分析了Pt/WSe2/Ni APD与各种商用硅APD的NEP值，显示了Pt/WSe2/Ni APD在不同增益水平上的优越性能。
冲击电离的随机性，以及由此产生的噪声，可以通过减少雪崩开始前的载流子散射来减轻。本文对不同工作电压下Pt/WSe2/Ni APD的噪声功率谱(NPS)进行了评估，如图4a所示。在-20 V的工作电压下，尽管电压变化，器件的噪声保持不变，与器件增益为103一致。在此增益下的理论噪声极限如图4a的阴影区域所示，由于超高的电子MFP抑制了冲击电离的随机性，本文APD的测量噪声接近理论极限。为了更深入地研究这种低噪声属性，将MFP计算与经验数据相关联，得出Pt/WSe2/Ni APD的多余噪声因子。图4b显示，对于低于103的增益，Pt/WSe2/Ni APD的多余噪声因子稳定在理论极限2，尽管由于传统的计算模型，实际值预计会更低。相比之下，传统的APD在增益为10的基础上，通常表现出超过2的多余噪声因子。图4c显示了最小激光功率下单位增益Pt/WSe2/Ni APD的光电流，探测到的激光功率低至45 fW。此外，图4d阐明了器件在不同激光功率下的响应率和外量子效率。在不同增益下测试Pt/WSe2/Ni APD的噪声等效功率(NEP)如图4e所示。在大约15倍的增益下，NEP达到了8.09 fW/Hz1/2的显著低点。图4f将该NEP与商用室温硅APD进行了比较，突出显示一些器件需要温度补偿。即使没有温度调节，Pt/WSe2/Ni APD的NEP也低于大多数商用硅APD。异常低的NEP主要是由于在减少电场的冲击电离。关键因素包括阻断暗载流子雪崩倍增和隧穿电流抑制，大大减少了总暗电流。此外，最小化热噪声放大对于器件的稳定性和可靠性至关重要，而主要的电子冲击电离驱动的低散射行为有效地降低了多余的噪声因子。
图5. 高增益下Pt/WSe2/Ni APD的快速时间响应特性。（a）时间响应的上升和下降边缘示意图。（b）上升边缘和下降边缘细节。（c）根据调制频率绘制的归一化光响应，阐明了器件的频率依赖行为。（d）Pt/WSe2/Ni APD在20 kHz调制激光下增益为5×105时的时间响应。（e）Pt/WSe2/Ni APD与已报道的基于2D材料的器件在不同增益值下的带宽比较。
为了进一步证明Pt/WSe2/Ni APD在时间响应特性上的优势，进一步评估了不同光电增益值下的-3 dB带宽。图5a和b显示了瞬态响应，上升沿约为45 μs，下降沿约为50 μs。根据测量的响应时间，也可以排除光电导增益的影响。在图5c中，显示了Pt/WSe2/Ni APD的频率响应，显示了-3 dB带宽为20 kHz。如图5d所示，该带宽虽然适中，但具有5×105的显著增益，其中即使在20 kHz的调制频率下，器件的时间响应也保持不变。这种性能偏离了传统的APD范例，后者通常需要在高带宽和高增益之间进行权衡。图5e比较了Pt/WSe2/Ni APD与其他器件的增益和带宽。在商用APD中，要获得大于102的增益，通常需要在盖革模式下工作，这可能会带来复杂性，例如需要淬灭电路并导致额外的噪声。在高增益范围内(增益>103)，2D材料基光电导器件通常以牺牲响应速度为代价表现出高增益，而光伏器件则以更快的响应速度提供较低的增益。雪崩器件，包括以高迁移率著称的石墨烯基器件，可以实现中等增益和响应速度。然而，本文的器件Pt/WSe2/Ni APD不仅具有最低的NEP(图4f)，而且具有最快的响应时间，增益大于103。这种性能使得它可以突破低维器件的经验GBP极限109。与由Ge、Si和III−V化合物制成的电流结APD相比，本文的Pt/WSe2/Ni APD提供了一个令人信服的选择。尽管Si和Ge基APD可以提供更宽的带宽，但它们通常以降低增益和增加噪声水平为代价。Pt/WSe2/Ni APD因无需盖革模式操作即可实现高增益而脱颖而出，展示了其卓越的性能能力。该器件独特地平衡了高增益和可管理的带宽，从而减轻了传统APD设计中遇到的常见问题。
总结与展望
本文成功地开发了具有功函数优化的Pt/WSe2/Ni平面雪崩光电探测器，在最小偏置条件下实现了约10-14 A的超低暗电流。这标志着该领域的重大进步，展示了无与伦比的灵敏度，光子探测能力低至~8.09 fW/Hz1/2。卓越的性能在于战略性势垒工程和利用本征WSe2内超长的电子平均自由程，共同减少暗载流子补充和减少雪崩活动期间随机冲击电离的噪声扰动。展望未来，期望通过纳米级材料工程和界面优化进一步增强器件性能。对更低噪声水平、更高增益和更宽带宽的追求仍在继续，有望开启光电探测器的新领域。
文献信息
Achieving a Noise Limit with a Few-layer WSe2 Avalanche Photodetector at Room Temperature
（Nano Lett., 2024, DOI:10.1021/acs.nanolett.4c03450）
文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c03450
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