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。

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相結合，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a）。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b）。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載流子注入的極限，展現了在低功耗集成電路應用中的潛力（圖c）。為了從實驗上證明該雪崩擊穿的彈道輸運屬性，課題組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。

彈道雪崩現象與器件應用。(a) 彈道雪崩輸出曲線，插圖：InSe/BP垂直異質結器件。(b) 彈道雪崩光電探測器的響應圖。(c)彈道雪崩場效應晶體管的場效應曲線，插圖：器件亞閾值擺幅與溫度的關系。(d) BP垂直方向觀測到的Fabry-Perot量子干涉圖案。

2019年1月22日，該成果以“Observation of ballistic avalanche phenomena in nanoscale vertical InSe/BP heterostructures”為題發表在《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）雜志上。南京大學物理學院博士生高安遠為該論文的第一作者，王肖沐教授、繆峰教授和施毅教授為該論文的共同通訊作者。中國科學技術大學陳仙輝教授課題組為該工作提供了實驗材料的支持，北京大學孫棟教授課題組和上海技術物理研究所胡偉達研究員課題組提供了實驗協助，加利福尼亞大學圣芭芭拉分校朱震博士完成了相關的第一性原理計算。該項研究得到了微結構科學與技術協同創新中心的支持，以及南京大學卓越計劃、科技部“量子調控”國家重點研發計劃/國家重大科學研究計劃青年項目、國家杰出青年科學基金、中國科學院前沿科學重點研究項目、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金等項目的資助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41565-018-0348-z

王肖沐教授簡介：

http://ese.nju.edu.cn/faculty.php?name=wangxiaomu&lang=cn

繆峰課題組主頁：

http://nano.nju.edu.cn 來源：南京大學