半導體異質結隧穿電子調控機制研究取得進展

中科院上海技物所紅外科學與技術重點實驗室胡偉達、苗金水團隊與賓州大學德普·賈瑞拉教授合作，通過耦合局域場調控二維原子晶體能帶，實現硒族半導體/硅半導體異質結隧穿電子的有效操控，為混合維度異質結構在高性能電子與光電子器件研制方面提供了理論與實驗基礎。相關成果于2022年10月28日以“Heterojunction tunnel triodes based on two-dimensional metal selenide and three-dimensional silicon”為題發表在國際期刊《自然·電子學》（Nature Electronics）雜志。

半導體中電子的輸運（漂移、擴散、隧穿等）對電子與光電子器件有著重要的影響。近年來，二維原子晶體因其外場可調的物理性質，為突破電子與光電子器件的性能極限提供了機遇。然而，二維/三維異質結器件中電子的產生與復合、隧穿等動力學過程以及外場調控機制尚不清晰，多功能器件的研制有待進一步發展。

針對上述問題，上海技物所研究團隊利用二維原子晶體無表面懸掛鍵以及能帶結構易受局域場調控的物理特性，研究了二維硒族原子晶體與硅半導體異質結中隧穿電子在柵極電壓與漏極電壓協同調控下的輸運行為。通過電容耦合的局域電場操控半導體異質結的能帶結構，實現了電子band-to-band隧穿效率的有效操控，并成功觀測到負微分電導與齊納擊穿現象。基于二維/三維異質結構的器件，實現了6.4mV/decade的極低亞閾值擺幅以及高的電流開關比（106）。

苗金水研究員為該論文的第一兼通訊作者、德普·賈瑞拉為共同通訊作者。