低閾値赤外線アバランシェ光検出器

低閾値赤外線アバランシェ光検出器

赤外線アバランシェ光検出器（APD光検出器）は、半導体光電デバイス衝突電離効果によって高い利得を得るAPD光検出器は、少数の光子、あるいは単一光子の検出能力を実現します。しかし、従来のAPD光検出器構造では、非平衡キャリア散乱プロセスによってエネルギー損失が発生するため、アバランシェ閾値電圧は通常50～200Vに達する必要があります。そのため、デバイスの駆動電圧と読み出し回路設計に対する要求が高まり、コストが増加し、用途の拡大が制限されます。

最近、中国の研究者らは、低いアバランシェ閾値電圧と高い感度を備えたアバランシェ近赤外線検出器の新しい構造を提案した。原子層の自己ドーピングホモ接合を基盤とするこのアバランシェ光検出器は、ヘテロ接合では避けられない界面欠陥状態による有害な散乱を解決している。同時に、並進対称性の破れによって生じる強い局所的な「ピーク」電場を利用して、キャリア間のクーロン相互作用を強化し、オフプレーンフォノンモードによる散乱を抑制し、非平衡キャリアの高い倍増効率を実現する。室温では、閾値エネルギーは理論限界Eg（Egは半導体のバンドギャップ）に近く、赤外線アバランシェ検出器の検出感度は最大10000光子レベルに達する。

本研究は、原子層自己ドープ二セレン化タングステン（WSe₂）ホモ接合（二次元遷移金属カルコゲニド、TMD）を電荷キャリアアバランシェの利得媒体として用いることを前提としています。空間並進対称性の破れは、トポグラフィーステップ変異を設計し、変異ホモ接合界面に強い局所「スパイク」電場を誘起することで実現します。

さらに、原子の厚さはフォノンモードに支配される散乱機構を抑制し、非平衡キャリアの加速・増倍過程を非常に低い損失で実現します。これにより、室温でのアバランシェ閾値エネルギーは理論限界、すなわち半導体材料のバンドギャップEgに近づきます。アバランシェ閾値電圧は50Vから1.6Vに低減され、研究者は成熟した低電圧デジタル回路を用いてアバランシェを駆動できるようになりました。光検出器駆動ダイオードとトランジスタも対象としています。本研究では、低閾値アバランシェ増倍効果の設計を通じて、非平衡キャリアエネルギーの効率的な変換と利用を実現し、次世代の高感度、低閾値、高ゲインアバランシェ赤外線検出技術の開発に新たな展望をもたらします。