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    我国学者在二维材料垂直异质结器件研究方面取得重要进展

    日期 2019-02-21   来源:信息科学部   作者:孙玲 张丽佳 潘庆  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(批准号:61775092,61625402,61574076)等资助下,南京大学王肖沐、缪峰、施毅合作团队在二维材料垂直异质结器件研究方面取得重要进展。研究成果以“Observation of Ballistic Avalanche Phenomena in Nanoscale Vertical InSe/BP Heterostructures”(纳米尺度硒化铟/黑磷垂直异质结中观察到弹道雪崩现象)为题,于2019年1月22日发表在Nature Nanotechnology《自然·纳米技术》上。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41565-018-0348-z。

      反向击穿是半导体PN结的基本物理过程之一。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,在通信网络、光谱技术以及量子通信等领域有广泛的应用前景。然而,传统的雪崩击穿过程需要强电场激发且随机散射严重,使得器件存在小偏压、低噪声、可集成以及鲁棒性等方面的严峻挑战。

      针对上述挑战,南京大学王肖沐/施毅课题组与缪峰课题组紧密合作,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了低功耗和低噪声。基于弹道雪崩击穿机制,合作团队进一步制作出了中红外弹道雪崩光电探测器和弹道雪崩场效应晶体管。图a为制作的硒化铟/黑磷(InSe/BP)垂直PN异质结及其弹道雪崩输出曲线;基于该弹道雪崩机制的中红外(4 mm波段)探测器不仅光子放大倍数大于1万(图b),而且具有低于传统雪崩光电探测器理论极限的噪声;基于该弹道雪崩机制的场效应晶体管则展现了极陡的亚阈值摆幅(低至0.25 mV/dec)(图c)。他们还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沟道中的弹道输运。研究工作表明:基于弹道雪崩机制的新型器件在高灵敏探测、低功耗集成电路等方面有潜在的应用前景,为后摩尔时代纳米电子学的发展提供了新途径。

    图. 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) 弹道雪崩中红外光电探测器的响应图(插图:弹道雪崩光电探测器结构示意图);(c) 弹道雪崩场效应晶体管的转移特征曲线(插图:亚阈值摆幅与温度的关系);(d) 黑磷垂直方向观测到的Fabry-Perot量子干涉图案




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