《自然·纳米技术》报道王肖沐、缪峰、施毅合作团队二维材料弹道雪崩现象最新成果

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。

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相结合，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a）。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b）。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载流子注入的极限，展现了在低功耗集成电路应用中的潜力（图c）。为了从实验上证明该雪崩击穿的弹道输运属性，课题组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d），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。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。

弹道雪崩现象与器件应用。(a) 弹道雪崩输出曲线，插图：InSe/BP垂直异质结器件。(b) 弹道雪崩光电探测器的响应图。(c)弹道雪崩场效应晶体管的场效应曲线，插图：器件亚阈值摆幅与温度的关系。(d) BP垂直方向观测到的Fabry-Perot量子干涉图案。

2019年1月22日，该成果以“Observation of ballistic avalanche phenomena in nanoscale vertical InSe/BP heterostructures”为题发表在《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志上。我校物理学院博士生高安远为该论文的第一作者，王肖沐教授、缪峰教授和施毅教授为该论文的共同通讯作者。中国科学技术大学陈仙辉教授课题组为该工作提供了实验材料的支持，北京大学孙栋教授课题组和上海技术物理研究所胡伟达研究员课题组提供了实验协助，加利福尼亚大学圣芭芭拉分校朱震博士完成了相关的第一性原理计算。该项研究得到了微结构科学与技术协同创新中心的支持，以及南京大学卓越计划、科技部“量子调控”国家重点研发计划/国家重大科学研究计划青年项目、国家杰出青年科学基金、中国科学院前沿科学重点研究项目、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的资助。