Observation of ballistic avalanche phenomena in nanoscale vertical InSe/BP heterostructures

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作者
Anyuan Gao,Jiawei Lai,Yaojia Wang,Zhen Zhu,Junwen Zeng,Geliang Yu,Naizhou Wang,Wenchao Chen,Tianjun Cao,Weida Hu,Dong Sun,Xianhui Chen,Feng Miao,Yi Shi,Xiaomu Wang
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:14 (3): 217-222 被引量:221
标识
DOI:10.1038/s41565-018-0348-z
摘要

Initiating impact ionization of avalanche breakdown essentially requires applying a high electric field in a long active region, hampering carrier-multiplication with high gain, low bias and superior noise performance. Here we report the observation of ballistic avalanche phenomena in sub-MFP scaled vertical indium selenide (InSe)/black phosphorus (BP) heterostructures. The heterojunction is engineered to avalanche photodetectors (APD) and impact ionization transistors, demonstrating ultra-sensitive mid-IR light detection (4 {\mu}m wavelength) and ultra-steep subthreshold swing, respectively. These devices show an extremely low avalanche threshold (<1 volt), excellent low noise figures and distinctive density spectral shape. Further transport measurement evidences the breakdown originals from a ballistic avalanche phenomenon, where the sub-MFP BP channel enables both electrons and holes to impact-ionize the lattice and abruptly amplify the current without scattering from the obstacles in a deterministic nature. Our results shed light on the development of advanced photodetectors and efficiently facilitating carriers on the nanoscale.
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