短波紅外雪崩光電二極管（APD）憑借內增益機制，可在不犧牲帶寬的前提下放大微弱光信號，是激光雷達、自由空間光通信、低光強成像等系統的核心器件。膠體量子點（CQD）憑借帶隙連續可調、吸收系數高、溶液加工、可與硅讀出電路單片集成等優勢，被視為極具潛力的短波紅外探測平臺。然而，傳統膠體量子點APD普遍采用p-i-n結構，光子吸收與雪崩倍增發生在同一窄帶隙量子點層內。為實現碰撞電離，需在吸收層中施加10?–10? V/cm的強電場，這必然會誘發場致泄漏與帶間隧穿，導致暗電流隨反偏電壓急劇攀升。
據麥姆斯咨詢報道，近日，華中科技大學的研究團隊提出基于分離吸收-電荷-倍增（SACM）架構的PbS膠體量子點/i-ZnO APD。研究團隊通過電荷層輔助的電場精準調控，將高場雪崩倍增區限定于寬帶隙本征ZnO材料中，從結構根源上解耦了光子吸收與碰撞電離過程，大幅抑制了窄帶隙量子點吸收層的帶間隧穿暗電流。優化后的器件增益歸一化暗電流密度（GNDCD）低至4.86×10?? A/cm2，是目前已報道有內增益膠體量子點探測器中的最低值，1550 nm波段比探測率達1.15×1012 Jones。該工作建立了電荷層輔助的SACM場工程新范式，為低成本、硅兼容的短波紅外雪崩探測提供了核心技術方案。研究成果以“Ultralow Gain-Normalized Dark Current Density in a Colloidal Quantum Dot Avalanche Photodiode with a SACM Architecture”為題發表在Nano Letters期刊上。
SACM器件架構及電場重分布機制
要實現SACM的設計目標，僅在結構上做物理分層是不夠的。研究團隊通過TCAD仿真發現，簡單的分離吸收-倍增（SAM）結構會出現偏壓依賴的電場重分布現象，無法將高場穩定限制在倍增層中。根本原因在于結構上的分離只是必要條件，而非充分條件；若不解決兩層材料載流子濃度失配帶來的電場“漂移”問題，高場區最終仍會落在窄帶隙材料一側，回到p-i-n結構的暗電流困境。該研究首次系統揭示了溶液加工型SAM APD中電場隨偏壓重分布的物理機制，明確了載流子濃度失配是制約場限制效果的核心因素，為后續SACM結構的電荷層設計提供了定量的理論依據。
圖1 膠體量子點APD的暗電流問題及SACM器件架構與電場分布設計
電荷層精準場調控
針對電場重分布問題，研究團隊引入額外的p型膠體量子點電荷層，通過改變泊松方程的邊界條件，強制電場向i-ZnO倍增區集中。研究團隊采用三種p型配體處理（NH?Cl、EDT、TMAH）制備不同摻雜水平的電荷層。電荷層的引入將SACM架構從“靜態分層”升級為“動態場調控”，通過摻雜濃度的精細設計實現了吸收區與倍增區的電場協同優化，既保障了雪崩增益所需的高場環境，又兼顧了光生載流子的高效抽取，是整個器件性能突破的關鍵設計支點。
圖2 不同偏壓和電荷層摻雜條件下，器件內部電場的分布與調控規律
器件工藝優化與雪崩機制
基于上述設計，研究團隊制備了垂直結構的SACM器件，從下至上依次為n-ZnO電子傳輸層、i-ZnO倍增層、膠體量子點電荷層、膠體量子點吸收層、膠體量子點-EDT層與ITO頂電極。為保障器件在高反偏下穩定運行并實現有效雪崩，研究團隊開展了兩項關鍵工藝優化。為嚴格驗證雪崩倍增機制，研究團隊開展了系統的溫度依賴電學測試。相關結果如圖3所示。
圖3 SACM量子點/i-ZnO APD的器件結構、材料優化與雪崩行為驗證
光電性能
研究團隊系統地測試驗證了SACM架構的性能優勢，相關結果如圖4所示。以GNDCD為核心優值的性能對標表明，SACM架構真正突破了膠體量子點APD“增益越高、噪聲越大”的性能天花板，將器件的實際探測靈敏度推向了新高度，而不是停留在紙面的高倍增倍數。這一指標突破也讓溶液加工型膠體量子點APD首次具備了與傳統單晶APD同臺競爭的噪聲性能基礎。
圖4 器件在1550 nm短波紅外下的光響應、響應速度、噪聲及綜合探測性能
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c01557
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