天津大学Science Advances：二维材料光电掺杂，还可以这么做！

纳米人

2019-05-09

第一作者：Enxiu Wu、Yuan Xie

通讯作者：刘晶、张代化、周崇武

通讯单位：天津大学、南加州大学

研究亮点：

1. 利用紫外光照和局部电场联合作用，实现了对二维纳米材料的可控性掺杂。

2. 这种光电掺杂方法超快、高效、非易失且可逆，工艺兼容性好。

3. 该掺杂方法所形成的器件具有优异性能。

二维半导体材料及其掺杂

相比于硅基器件，基于二维纳米材料的半导体器件尺寸更小，并展现了更加丰富、优异的电学特性。如果基于二维材料的半导体器件可以取代硅基器件，将大幅度提升芯片集成度，延续摩尔定律，迎来一场巨大的芯片革命。

目前，越来越多的材料物理学家，致力于二维材料晶圆级生长，并取得了非常大的成功。然而，芯片革命成功的关键因素在于实现二维材料可控性的掺杂，形成稳定的p型和n型二维纳米半导体材料。

掺杂手段

目前应用于二维纳米半导体材料的掺杂手段主要分为以下三个方面：

(1)双栅极场效应管：其器件极性通过单独的栅极结构施加电压来控制，然而该掺杂方法具有易失性，断电后，器件极性不能保持。

(2)表面修饰：在二维材料表明修饰化学分子或是沉积原子层，二维材料与修饰层发生电荷交换，实现二维材料极性控制。然而，该掺杂方法会在二维材料表面引入大量的化学杂质，导致器件迟滞现象严重，严重影响器件的电学特性。

(3)不同功函数金属接触，实现器件极性控制：低功函数金属(例如Cr/Au)做接触，实现n型器件；高功函数金属(Pd/Au)做接触，使器件极性为p型。然而，高功函数金属价格昂贵，使器件制备成本增高。此外，以上三种掺杂手段，工艺复杂，均不能与标准的CMOS工艺兼容。

成果简介

有鉴于此，天津大学胡晓东、刘晶团队联合天津大学张代化团队、美国南加州大学周崇武团队，提出了一种超快、高效、非易失且可逆的光电掺杂方法：利用紫外光照和局部电场联合作用，实现对二维纳米材料的可控性掺杂。

图1：可逆性掺杂，实现高性能单极性p型和n型器件

该方法有以下特点：

(1)可以形成单极性的n型器件和p型器件,且掺杂后的p型和n型器件具有高的载流子迁移率和载流子密度；

(2)掺杂可逆，掺杂速度超快，掺杂周期在100ms以内；

(3)掺杂是非易失的，掺杂后的器件可在空气环境下稳定工作，且没有任何迟滞现象；

(4)该光电掺杂工艺与传统的CMOS工艺兼容，即利用传统的紫外光刻工艺，就可以实现二维纳米材料的空间选择性p型和n型掺杂，实现同质pn结，并应用于光电探测器和光伏器件。

图2：超快掺杂，掺杂周期ms级

图3：空气环境下单极性p型和n型器件的稳定性

图4：空气环境下单极性p型和n型器件的零迟滞性

图5：利用该掺杂方法形成同质结，应用于光电探测器和光伏器件

小结

该研究开发了一种通用的光电掺杂方法，使MoTe₂场效应晶体管能够高效、非易失、可逆、超快和空间选择性能带调制。所得n-和p-掺杂器件的迁移率和稳定性都有显著提高。这种掺杂方法为二维材料能带调制开辟了一条新的途径，并有可能在电子和光电子应用中实现各类器件概念和功能。

参考文献：

Enxiu Wu, Yuan Xie, JingZhang, Hao Zhang, Xiaodong Hu, Jing Liu, Chongwu Zhou, and Daihua Zhang. Dynamicallycontrollable polarity modulation of MoTe₂ field-effect transistors through ultraviolet light and electrostatic activation. Science Advances, 2019.

DOI: 10.1126/sciadv.aav3430

https://advances.sciencemag.org/content/5/5/eaav3430