這是首次在實驗上觀測到彈道雪崩現(xiàn)象。該團隊在二維材料垂直異質(zhì)結(jié)中提出和實現(xiàn)了一種新型的PN結(jié)擊穿機制：彈道雪崩?；诖嗽硎状沃谱鞒隽诵阅軆?yōu)異的中紅外彈道雪崩光電探測器和彈道雪崩場效應(yīng)晶體管。

半導(dǎo)體PN結(jié)是集成電路的“技術(shù)心臟”，在其應(yīng)用中反向擊穿是一類基本的物理過程?；谘┍婪聪驌舸C制的光電探測器是實現(xiàn)單光子探測的重要手段，目前已成為通信網(wǎng)絡(luò)，光譜技術(shù)以及量子通訊等應(yīng)用中的核心部件。但是傳統(tǒng)的雪崩擊穿過程需要強電場激發(fā)，隨機散射嚴(yán)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(yán)峻的挑戰(zhàn)。

為了解決上述困難，南京大學(xué)電子學(xué)院王肖沐/施毅課題組與物理學(xué)院繆峰課題組緊密合作，基礎(chǔ)探索結(jié)合應(yīng)用研究，首次在二維材料垂直異質(zhì)結(jié)中提出和實現(xiàn)了一種新型的PN結(jié)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(jié)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(jié)合納米尺度下可控的雪崩效應(yīng)，在實現(xiàn)載流子倍增放大的同時保持低功耗、低噪聲，有望解決傳統(tǒng)雪崩器件所遇到的瓶頸。基于實驗上實現(xiàn)的彈道雪崩現(xiàn)象，合作團隊進(jìn)一步制作出了性能優(yōu)異的中紅外彈道雪崩光電探測器和彈道雪崩場效應(yīng)晶體管。

在這項工作中，合作團隊首先制作了高質(zhì)量的硒化銦/黑磷（InSe/BP）垂直pn異質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)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(xiàn)象（圖a）?；谠搹椀姥┍垃F(xiàn)象的中紅外探測器展現(xiàn)了極高（大于1萬）的光子放大倍數(shù)，以及低于傳統(tǒng)雪崩光電探測器理論極限的噪聲性能（圖b）。這一器件有望在未來星地通訊，高分辨率遙感等系統(tǒng)中扮演重要的角色?；谠搹椀姥┍罊C制的場效應(yīng)晶體管也展現(xiàn)了極陡的亞閾值擺幅（低達(dá)0.25mV/dec），突破了玻爾茲曼熱發(fā)射載流子注入的限制，展現(xiàn)了在低功耗集成電路應(yīng)用中的潛力（圖c）。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(jìn)一步研究了黑磷垂直方向的低溫電子輸運性質(zhì)，觀測到了Fabry-Perot量子干涉圖案（圖d），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。該結(jié)果不僅促進(jìn)了中紅外低至單光子的高靈敏探測技術(shù)的發(fā)展，而且為后摩爾時代納米電子學(xué)的發(fā)展提供了新的可能性。

彈道雪崩現(xiàn)象與器件應(yīng)用。(a) 彈道雪崩輸出曲線，插圖：InSe/BP垂直異質(zhì)結(jié)器件。(b) 彈道雪崩光電探測器的響應(yīng)圖。(c)彈道雪崩場效應(yīng)晶體管的場效應(yīng)曲線，插圖：器件亞閾值擺幅與溫度的關(guān)系。(d) BP垂直方向觀測到的Fabry-Perot量子干涉圖案。