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研究首次证明可在二维垂直异质结中实现弹道雪

发布时间:2019/07/03 点击量:

对研制新一代光电子和微电子器件具有重要价值


异质结的原子结构效果图和弹道雪崩示意图

  弹道原本是量子物理的概念,而雪崩是半导体物理中的基本现象,两者貌似无关。但南京大学电子科学与工程学院教授王肖沐/施毅课题组与该校物理学院教授缪峰课题组密切合作,让两者“邂逅”,首次在二维材料垂直异质结中提出和实现一种新型PN结击穿机制:弹道雪崩。

  基于传统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功耗高、噪声大,且不可控,“弹道雪崩有望解决上述问题”。缪峰告诉《中国科学报》,在此基础上,合作团队进一步制作出性能优异的中红外弹道雪崩光电探测器和弹道雪崩晶体管。相关研究成果1月22日在线发表于《自然—纳米技术》。

  雪崩过程:基本又实用

  对于生活在三维世界的我们,鲜有二维的概念。缪峰将二维材料形象地比喻成一本书中的一页纸,只是这页纸只有一个原子那么薄。二维材料的层与层之间有微弱的范德华作用力。所谓范德华作用力,是指存在于分子间的一种吸引力。

  一页纸很容易从书本中撕下来,但单层二维材料一度被理论学家预言是无法剥离出来的。直到2004年,英国曼彻斯特大学的科研人员成功制备出单层石墨烯,这一预言才被打破。

  正是15年前石墨烯的成功制备,才让更多的二维材料走进人们的视野,比如黑磷和过渡金属硫属化物。

  然而,单一的二维材料都有其优缺点。为了“扬长避短”,两种及两种以上的二维材料需要“搭乐高”,这样就形成了范德华异质结,可以用来实现一些特殊的PN结。

  PN结具有单向导电性,它是构成二极管、三极管等半导体器件的基础。王肖沐向《中国科学报》介绍,在半导体器件中,雪崩过程是指载流子通过电场加速获得高能量,从而离化晶格实现载流子倍增和电流放大的一种物理现象,“这是一类基本又实用的物理过程”。

  例如,光通信和单光子探测等许多应用,都利用雪崩击穿的雪崩光电二极管来实现。“但对目前半导体技术来说,雪崩过程通常需要在大尺寸的器件中加很高的电压才能实现,而且有噪声高等缺点”。王肖沐说。