彈道是量子物理的概念，雪崩是半導體物理中的基本現象，兩者貌似無關。但南京大學電子科學與工程學院教授王肖沐/施毅課題組與該校物理學院教授繆峰課題組合作，讓二者「邂逅」，首次在二維材料垂直異質結中提出和實現了一種新型PN結擊穿機制——彈道雪崩。
基於傳統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的核心部件。
但是，傳統的雪崩擊穿過程功耗高、噪聲大，且不可控。「彈道雪崩有望解決上述問題。」繆峰告訴《中國科學報》。在此基礎上，合作團隊進一步製作出性能優異的中紅外彈道雪崩光電探測器和彈道雪崩電晶體。相關研究成果1月22日在線發表於《自然—納米技術》。
雪崩過程：基本又實用
生活在三維世界的我們，鮮有二維的概念。繆峰將二維材料形象比喻成一本書中的一頁紙，只是這頁紙只有一個原子那麼薄。二維材料的層與層之間有微弱的範德華作用力，這是存在於分子間的一種吸引力。
一頁紙很容易從書本中撕下來，但單層二維材料一度被理論學家預言是無法剝離出來的。直到2004年，英國曼徹斯特大學的科研人員成功製備出單層石墨烯，這一預言才被打破。正是15年前石墨烯的成功製備，才讓更多的二維材料走進人們的視野，比如黑磷和過渡金屬硫屬化物。
單一的二維材料有其優缺點，為了「揚長避短」，兩種及兩種以上的二維材料需要「搭樂高」，這樣就形成了範德華異質結，可以用來實現一些特殊的PN結。
PN結具有單向導電性，它是構成二極體、三極體等半導體器件的基礎。王肖沐介紹，在半導體器件中，雪崩過程是指載流子通過電場加速獲得高能量，從而離化晶格實現載流子倍增和電流放大的一種物理現象，「這是一類基本又實用的物理過程」。
光通信和單光子探測等許多應用，都利用雪崩擊穿的雪崩光電二極體來實現。「但對目前半導體技術來說，雪崩過程通常需要在大尺寸的器件中加很高的電壓才能實現，而且有噪聲高等缺點。」王肖沐說。
未經驗證的猜想成真
研究人員嘗試構建的是一個電流縱向傳輸的PN結器件。利用黑磷具有垂直方向遷移率高的優點，他們製作了一個溝道只有10納米長、小於電子平均自由程的PN結，並通過這一高質量硒化銦/黑磷垂直異質結器件，觀測到5個量級電流跳變的彈道雪崩現象。
所謂彈道，是指載流子的彈道運輸行為。「彈道輸運，指電子傳輸過程中幾乎不受到散射。」繆峰說，就像子彈打過去，中間沒有任何阻礙，「這是一種量子現象，我們也稱之為相位相干輸運」。
早在2007年，還在美國攻讀博士學位的繆峰就首次發現，在石墨烯的平面內，電子存在像子彈一樣的彈道輸運行為，該成果曾被《科學》報導。
不過，王肖沐強調，彈道雪崩擊穿理論並不是由該團隊首次提出的，「領域內早有人在理論上設想過，不過缺乏可行的實驗設計，長期以來僅作為未經驗證的猜想存在，我們是第一次成功驗證在二維材料垂直異質結中可以實現彈道雪崩」。
在功能材料學家、中國科學院院士祝世寧看來，彈道雪崩擊穿革新了人們對PN結雪崩擊穿的認識和理解，一舉解決了傳統器件電壓高、散射嚴重等缺點。
「這種雪崩擊穿獨特之處在於，電子和空穴兩種載流子可以在溝道中往復地進行晶格離化和載流子倍增。」祝世寧告訴《中國科學報》，這樣變傳統鏈式倍增為「共振」式倍增，可實現很高的電流放大。
中紅外單光子探測展現潛力
基於上述的研究，合作團隊進一步製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電晶體。
據繆峰介紹，合作團隊在實驗中發現，基於該彈道雪崩現象的中紅外探測器展現了極高（大於1萬）的放大倍數，以及低於傳統雪崩光電探測器理論極限的噪聲性能。
光子也稱光量子，是光能量的基本單位，光子數可分辨的探測能力是光子信息處理的核心。如果按照單個光子的能量計算，在可見光和近紅波段內，其能量僅在10~19焦耳量級。
王肖沐表示，要想探測這樣微弱的信號，需要特殊的光電探測器件，即雪崩光子探測器。
然而，隨著量子信息技術的飛速發展，在自由空間中的許多重要應用如三維雷射雷達成像、天文物理以及大氣觀測等，需要拓展探測器的波長範圍至3～5微米或8～12微米的大氣透明窗口中，傳統的雪崩光子探測器無法滿足其需求。
合作團隊製備的中紅外彈道雪崩光電探測器正是工作在這一重要的波段，已經展現出了實現中紅外單光子探測的巨大潛力。「該器件將在星地通訊、高解析度遙感等系統中扮演重要角色。」王肖沐說。
據悉，目前合作團隊已經開展了中紅外單光子探測系統以及雪崩探測器焦平面陣列成像的研究工作。「希望通過不斷的努力，研製出實用化的探測晶片。」繆峰說。