低閾値赤外線アバランシェフォトディテクタ

低閾値赤外線雪崩光検出器

赤外線アバランシェフォトディテクタ（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利得を生み出し、少数の光子、あるいは単一光子の検出能力を実現する。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生じるため、アバランシェ閾値電圧は通常50～200Vに達する必要がある。これは、デバイスの駆動電圧と読み出し回路設計に高い要求を課し、コスト増加と幅広い用途の制限につながる。

最近、中国の研究チームは、低いアバランシェ閾値電圧と高い感度を備えた新しい構造の近赤外線アバランシェ検出器を提案した。原子層の自己ドーピングホモ接合に基づく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って引き起こされる有害な散乱を解決する。同時に、並進対称性の破れによって誘起される強い局所的な「ピーク」電界を利用して、キャリア間のクーロン相互作用を強化し、面外フォノンモードが支配的な散乱を抑制し、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10000光子レベルに達する。

本研究は、電荷キャリア雪崩の利得媒体として、原子層自己ドープ型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ナイド、TMD）に基づいている。空間的な並進対称性の破れは、地形ステップ変異を設計することで実現され、変異ホモ接合界面に強い局所的な「スパイク」電場を誘起する。

さらに、原子層の厚さによってフォノンモードが支配的な散乱機構が抑制され、非平衡キャリアの加速と増倍プロセスが非常に低い損失で実現されます。これにより、室温におけるアバランシェ閾値エネルギーが理論限界、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に低下し、研究者ら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。光検出器ダイオードやトランジスタの駆動にも利用できます。本研究では、低閾値アバランシェ増倍効果の設計により、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、高利得アバランシェ赤外線検出技術の開発に新たな展望を提供します。