雪崩倍增效应能够通过载流子的碰撞离化过程显著放大微弱光电信号，这一特性使其在雪崩光电二极管 (APD) 和碰撞离化场效应晶体管 (IIFETs) 等光电子器件中具有重要应用价值，并推动着生物医学成像、激光雷达和光纤通信等领域的发展。该效应的物理本质是少数载流子在强电场中获得超过半导体带隙 (E_g) 的动能后，通过碰撞离化过程产生新的电子-空穴对，从而实现载流子几何级数的倍增。然而，传统材料 (如Si和InGaAs) 由于热载流子散射导致的能量损失，实际雪崩阈值能量通常高于22 E_g，使得器件的典型雪崩电压高达120 V (Si) 和50 V (InGaAs)。这不仅增加了光电器件的功耗和暗噪声，也对系统的驱动电压和读出电路设计提出了严格的要求，大大增加了成本，严重限制了其更广泛的应用。近年来，二维层状材料因其独特的量子限域效应、层数依赖的能带结构和可任意堆叠形成异质结特性而受到广泛关注，其原子级厚度诱导的强库仑相互作用显著提升了载流子间的能量交换效率，为实现低阈值电压、高倍增效率的雪崩倍增效应提供了新的解决方案，为发展下一代高性能、低功耗雪崩器件开辟了新途径。

研究过程与结果

近期，中国科学院上海技术物理研究所王海露团队系统综述了二维层状材料中基于雪崩倍增效应的新型光电器件的研究现状。本文首先分析了雪崩倍增效应的内在物理机制，着重介绍了雪崩器件的关键性能参数，包括倍增因子M、过剩噪声因子F(M) 和碰撞离化系数k等。紧接着，本文详细分析了基于二维层状材料研究并实现雪崩倍增效应的优势，进一步总结了基于二维材料的典型雪崩器件结构及其电学与光电特性。最后，本文重点探讨了雪崩倍增效应在高灵敏光电探测器、互补逻辑反相器、低功耗晶体管及神经形态计算器件等领域的典型器件应用。

图1. 雪崩倍增机制。(a) 半导体器件中的载流子倍增过程，其中过程①和②分别对应载流子倍增和热载流子通过声子发射的冷却过程；(b) 雪崩二极管结构中的碰撞离化与倍增过程。

图2. 雪崩器件的典型结构及其工作原理。(a)-(d) 分别为肖特基结、阶梯突变结、异质结及栅控同质结的结构示意图；(e)-(h) 依次展示了Pt/WSe₂/Ni肖特基结、WSe₂ 阶梯突变结、InSe/BP异质结及WSe₂栅控同质结的工作原理图；(i) Pt/WSe₂/Ni肖特基结的噪声等效功率；(j) WSe₂阶梯突变结的雪崩电压随工作温度的变化关系；(k) InSe/BP异质结的输出特性曲线；(l) 室温下WSe₂栅控同质结的转移特性曲线。

研究总结

本文重点探讨了二维层状材料中雪崩倍增效应的物理机制，详细分析了肖特基结、异质结、阶梯突变结以及栅控同质结等典型器件结构的工作原理和光电性能特性。在此基础上，研究团队深入阐述了这类器件在高灵敏光电探测器、反相器、低功耗晶体管、碰撞离化晶体管和神经形态计算器件等领域的创新应用，并对未来发展方向提出了展望，为新一代高性能光电子器件的研发提供了新思路。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/3279548

作者简介

王海露 博士

中国科学院上海技术物理研究所

中国科学院上海技术物理研究所博士后。国家“博新计划”获得者，入选上海市“超级博士后”激励计划、上海市青年科技英才扬帆计划和中国科学院特别研究助理。2022年博士毕业于中国科学院上海技术物理研究所，同年进入中国科学院上海技术物理研究所红外科学与技术全国重点实验室胡伟达研究员团队从事博士后工作。主要研究领域为红外探测器载流子输运机理，致力于解决红外光电载流子能量耗散机制不清晰、超快弛豫机制诱导低光电转换效率等问题，为发展高性能红外探测器技术提供新思路。以第一或通讯作者在 Nature Communications、Nano Letters、Light: Science & Applications、National Science Review 和 Advanced Functional Materials 等SCI期刊上发表科技论文14篇，累计发表SCI论文50余篇。申请中国发明专利5项、美国发明专利1项。获本科、硕士和博士国家奖学金、上海市优秀毕业生、中国电子教育学会优秀博士学位论文、宝钢优秀学生奖、中国科学院院长优秀奖和“朱李月华”优秀博士生奖学金等荣誉。作为项目或课题负责人主持国家自然科学青年基金、中国科学院B类先导专项课题和博士后面上等项目。

目前王海露博士在 Nanomaterials 期刊作为客座编辑主持特刊“Photonics/Optoelectronics Properties and Applications of Two-Dimensional Heterostructures (二维异质结的光子学/光电子学性质及其应用)”。特刊旨在突出二维材料及其异质结的外延生长技术和光电子器件的最新进展。截止到目前，特刊已经收录4篇文章，欢迎二维材料光子、电子及光电子学领域的研究人员为本特刊贡献原创研究论文或评论文章。

了解更多特刊信息：

https://www.mdpi.com/journal/nanomaterials/special_issues/4359I5Q7BM

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/nanomaterials

Nanomaterials 期刊介绍

主编：Eugenia Valsami-Jones, University of Birmingham, UK

期刊主题涵盖纳米材料 (纳米粒子、薄膜、涂层、有机/无机纳米复合材料、量子点、石墨烯、碳纳米管等)、纳米技术 (合成、表征、模拟等) 以及纳米材料在各个领域的应用 (生物医药、能源、环境、电子信息等) 等。

2024 Impact Factor：4.3

2024 CiteScore：9.2

Time to First Decision：15.4 Days

Acceptance to Publication：1.9 Days

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