南京大學王肖沐、繆峰＆施毅Nature?Nanotech.：二維材料垂直異質結中的彈道雪崩現象

【引言】

半導體PN結是集成電路的“技術心臟”，在其應用中反向擊穿是一類基本的物理過程。基于雪崩反向擊穿機制的光電探測器是實現單光子探測的重要手段，目前已成為通信網絡，光譜技術以及量子通訊等應用中的核心部件。但是傳統的雪崩擊穿過程需要強電場激發，隨機散射嚴重；造成器件在小偏壓，低噪聲、可集成以及魯棒性等方面面臨著嚴峻的挑戰。

【成果簡介】

為了解決上述困難，南京大學電子學院王肖沐/施毅課題組與物理學院繆峰課題組緊密合作，基礎探索結合應用研究，首次在二維材料垂直異質結中提出和實現了一種新型的PN結擊穿機制：彈道雪崩。這種物理機制將量子彈道輸運與雪崩擊穿過程結合，利用彈道輸運中電荷幾乎無散射、保持相位相干的量子特性，結合納米尺度下可控的雪崩效應，在實現載流子倍增放大的同時保持低功耗、低噪聲，有望解決傳統雪崩器件所遇到的瓶頸。基于實驗上實現的彈道雪崩現象，合作團隊進一步制作出了性能優異的中紅外彈道雪崩光電探測器和彈道雪崩場效應晶體管。

在這項工作中，合作團隊首先制作了高質量的硒化銦/黑磷（InSe/BP）垂直PN異質結，異質結具有原子級平整的界面和完美的晶格，團隊在該器件中觀測到5個量級電流跳變的彈道雪崩現象（圖1a）。基于該彈道雪崩現象的中紅外探測器展現了極高（大于1萬）的光子放大倍數，以及低于傳統雪崩光電探測器理論極限的噪聲性能（圖2b）。這一器件有望在未來星地通訊、高分辨率遙感等系統中扮演重要的角色。基于該彈道雪崩機制的場效應晶體管也展現了極陡的亞閾值擺幅（低達0.25mV/dec），突破了玻爾茲曼熱發射對載流子注入的限制，展現了在低功耗集成電路應用中的潛力（圖2d）。為了從實驗上證明該雪崩擊穿的彈道輸運屬性，合作團隊進一步研究了黑磷垂直方向的低溫電子輸運性質，觀測到了Fabry-Perot量子干涉圖案（圖4b），直接驗證了載流子在黑磷垂直方向亞平均自由程的溝道中的彈道輸運。

【圖文導讀】

圖1?InSe/BP異質結雪崩器件

（a）InSe/BP垂直異質結的概念圖。

（b）異質結截面的高分辨透射電子顯微鏡圖片。

（c）InSe/BP垂直異質結的雪崩曲線。

（d）InSe/BP垂直異質結不同偏壓下的能帶圖。

圖2?基于InSe/BP異質結的彈道雪崩光電探測器和場效應晶體管。

（a）InSe/BP垂直彈道雪崩光電探測器的光響應及載流子倍增因子與偏壓的關系圖。

（b）該彈道雪崩光電探測器的噪聲性能。

（c）InSe/BP垂直彈道雪崩場效應晶體管的場效應曲線。

（d）該彈道雪崩場效應晶體管的亞閾值擺幅及其與溫度的關系。

圖3?彈道雪崩的工作機制。

（a）不同溫度下的彈道雪崩曲線。

（b）彈道雪崩的閾值電壓和放大倍數隨溫度的變化。

（c）傳統雪崩的工作機制。

（d）彈道雪崩的工作機制。

圖4?BP垂直方向的彈道輸運

（a）電流隨柵壓的周期震蕩曲線。

（b）Fabry-Perot干涉圖案。

【小結】

綜上所述，本研究報道了一直新型的雪崩現象——彈道雪崩現象。基于該機制的彈道雪崩探測器，展現了小偏壓，低噪聲，高增益等一系列優異性能。作為納米電子器件，可以實現0.25mV/dec的平均亞閾值擺幅。該結果不僅促進了中紅外低至單光子的高靈敏探測技術的發展，而且為后摩爾時代納米電子學的發展提供了新的可能性。

文獻連接：Observation of ballistic avalanche phenomena in nanoscale vertical InSe/BP heterostructures（Nature nanotechnology, 2019, DOI:10.1038/s41565-018-0348-z）

本文由材料人南京大學物理學院繆峰課題組供稿，材料人編輯部編輯

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