南京大学王肖沐、缪峰＆施毅Nature Nanotech.：二维材料垂直异质结中的弹道雪崩现象

【引言】

半导体PN结是集成电路的“技术心脏”，在其应用中反向击穿是一类基本的物理过程。基于雪崩反向击穿机制的光电探测器是实现单光子探测的重要手段，目前已成为通信网络，光谱技术以及量子通讯等应用中的核心部件。但是传统的雪崩击穿过程需要强电场激发，随机散射严重；造成器件在小偏压，低噪声、可集成以及鲁棒性等方面面临着严峻的挑战。

【成果简介】

为了解决上述困难，南京大学电子学院王肖沐/施毅课题组与物理学院缪峰课题组紧密合作，基础探索结合应用研究，首次在二维材料垂直异质结中提出和实现了一种新型的PN结击穿机制：弹道雪崩。这种物理机制将量子弹道输运与雪崩击穿过程结合，利用弹道输运中电荷几乎无散射、保持相位相干的量子特性，结合纳米尺度下可控的雪崩效应，在实现载流子倍增放大的同时保持低功耗、低噪声，有望解决传统雪崩器件所遇到的瓶颈。基于实验上实现的弹道雪崩现象，合作团队进一步制作出了性能优异的中红外弹道雪崩光电探测器和弹道雪崩场效应晶体管。

在这项工作中，合作团队首先制作了高质量的硒化铟/黑磷（InSe/BP）垂直PN异质结，异质结具有原子级平整的界面和完美的晶格，团队在该器件中观测到5个量级电流跳变的弹道雪崩现象（图1a）。基于该弹道雪崩现象的中红外探测器展现了极高（大于1万）的光子放大倍数，以及低于传统雪崩光电探测器理论极限的噪声性能（图2b）。这一器件有望在未来星地通讯、高分辨率遥感等系统中扮演重要的角色。基于该弹道雪崩机制的场效应晶体管也展现了极陡的亚阈值摆幅（低达0.25mV/dec），突破了玻尔兹曼热发射对载流子注入的限制，展现了在低功耗集成电路应用中的潜力（图2d）。为了从实验上证明该雪崩击穿的弹道输运属性，合作团队进一步研究了黑磷垂直方向的低温电子输运性质，观测到了Fabry-Perot量子干涉图案（图4b），直接验证了载流子在黑磷垂直方向亚平均自由程的沟道中的弹道输运。

【图文导读】

图1 InSe/BP异质结雪崩器件

（a）InSe/BP垂直异质结的概念图。

（b）异质结截面的高分辨透射电子显微镜图片。

（c）InSe/BP垂直异质结的雪崩曲线。

（d）InSe/BP垂直异质结不同偏压下的能带图。

图2 基于InSe/BP异质结的弹道雪崩光电探测器和场效应晶体管。

（a）InSe/BP垂直弹道雪崩光电探测器的光响应及载流子倍增因子与偏压的关系图。

（b）该弹道雪崩光电探测器的噪声性能。

（c）InSe/BP垂直弹道雪崩场效应晶体管的场效应曲线。

（d）该弹道雪崩场效应晶体管的亚阈值摆幅及其与温度的关系。

图3 弹道雪崩的工作机制。

（a）不同温度下的弹道雪崩曲线。

（b）弹道雪崩的阈值电压和放大倍数随温度的变化。

（c）传统雪崩的工作机制。

（d）弹道雪崩的工作机制。

图4 BP垂直方向的弹道输运

（a）电流随栅压的周期震荡曲线。

（b）Fabry-Perot干涉图案。

【小结】

综上所述，本研究报道了一直新型的雪崩现象——弹道雪崩现象。基于该机制的弹道雪崩探测器，展现了小偏压，低噪声，高增益等一系列优异性能。作为纳米电子器件，可以实现0.25mV/dec的平均亚阈值摆幅。该结果不仅促进了中红外低至单光子的高灵敏探测技术的发展，而且为后摩尔时代纳米电子学的发展提供了新的可能性。

文献连接：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学物理学院缪峰课题组供稿，材料人编辑部编辑

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