2019年2月23日
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“弹道雪崩”让红外探测器件穿越无边黑暗

“冥昭瞢暗,谁能极之?冯翼惟像,何以识之?”战国时期屈原就提出了这份疑惑。浩瀚宇宙中有无穷多的物质不能被我们的眼睛直接“看”到。如果我们能够拥有一双穿透黑暗的眼睛,将是一件十分美妙的事情。现在看来,这份幻想或将成为现实。

我们的眼睛只能看见一定波长范围内的光线。红外光是波长较长的不可见光,它的特点是,不仅可以实现远距离传输,而且穿透能力强。事实上,对红外光的探测已经被应用在军事和临床医学检测等领域,例如红外夜视仪、末端制导、遥感、自由空间通信、红外雷达以及医院中常见的红外热像仪等。虽然红外成像已经得到了很多的应用,但是仍然面临着诸多挑战,例如价格昂贵、灵敏度低、可集成性差等问题。这些问题严重限制了红外成像的广泛应用,尤其是在民用领域。

事实上,这些问题已经困扰研究者们很久了。例如,由于红外夜视仪的灵敏度不够高,可能会因为忽略了敌方目标而导致重大军事失误;因为红外热像仪的性能不好,需要其它仪器的辅助,医生才能准确判断病人的病情。因此,科学家们一直在努力探索基于新原理来实现价格低廉、灵敏度高、性能优异的红外探测器。

近日,南京大学电子科学与工程学院的王肖沐/施毅课题组和物理学院的缪峰课题组,组成了一支跨学院合作团队,研制出一种基于全新工作机制的红外探测器件,并在《自然·纳米技术》(Nature·Nanotechnology)杂志上发表了他们的成果。

该团队紧密合作,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全新的探测机制: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,将弹道输运中电荷几乎无散射、保持相位相干的量子特性与纳米尺度下可控的雪崩效应相结合,在实现载流子倍增放大的同时保持低功耗、低噪声,有望解决传统雪崩光电器件所遇到的瓶颈。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个数量级电流跳变的弹道雪崩现象。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,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。为了从实验上证明该雪崩击穿的弹道输运属性,合作团队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,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。

该项成果展示了二维层状材料异质结非常丰富的物理性质,以及在电子学领域的应用潜力;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,对未来研制新一代光电子和微电子器件具有重要价值。