利用非易失性的鐵電極化場(chǎng)對(duì)低維半導(dǎo)體材料的精準(zhǔn)摻雜的新方法

現(xiàn)代微芯片和傳感器件是支撐現(xiàn)今信息社會(huì)的重要載體。隨著技術(shù)及工藝進(jìn)步，對(duì)材料物性及器件結(jié)構(gòu)提出了更高要求。近年來，新型低維材料出現(xiàn)，其獨(dú)特結(jié)構(gòu)和奇異物性備受關(guān)注，已在電子和光電子器件等領(lǐng)域顯現(xiàn)出其潛在的價(jià)值。通過元素?fù)诫s來調(diào)控半導(dǎo)體材料載流子類型及濃度是構(gòu)建半導(dǎo)體功能器件的物理基礎(chǔ)。具體到新型低維半導(dǎo)體材料，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)其載流子的精準(zhǔn)調(diào)控，同樣是實(shí)現(xiàn)其豐富功能器件的必經(jīng)之路。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究人員與復(fù)旦大學(xué)、南京大學(xué)、南京大學(xué)、華東師范大學(xué)及中科院微電子研究所的相關(guān)團(tuán)隊(duì)通力合作，提出了利用非易失性的鐵電極化場(chǎng)對(duì)低維半導(dǎo)體材料的精準(zhǔn)摻雜的新方法，并運(yùn)用該方法構(gòu)建了多種新型功能的電子和光電子器件。

圖1 納米探針操控鐵電疇調(diào)控的低維半導(dǎo)體同質(zhì)結(jié)（自上而下實(shí)現(xiàn)）

具體地，研究人員提出了兩種利用鐵電極化調(diào)控構(gòu)建低維半導(dǎo)體光電器件方法。其一、通過納米探針技術(shù)極化鐵電薄膜，進(jìn)而調(diào)控其覆蓋的低維半導(dǎo)體（自上而下方法，見圖1）。加正向電壓，極化向下，半導(dǎo)體材料中注入電子；加負(fù)向電壓，極化向上，半導(dǎo)體材料中注入空穴。其特征在于器件圖案可任意編輯、可擦除重新寫入、摻雜區(qū)域的空間尺寸精確，基于此方法研究人員構(gòu)建了p-n結(jié)、BJT晶體管及新型存儲(chǔ)等器件。其二、構(gòu)建裂柵結(jié)構(gòu)，通過固態(tài)電極施加電壓極化鐵電薄膜，進(jìn)而調(diào)控頂層低維半導(dǎo)體（自下而上，見圖2）。其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了固態(tài)結(jié)構(gòu)，極化充分，器件性能及穩(wěn)定性更佳。運(yùn)用上述兩種技術(shù)途徑，皆可實(shí)現(xiàn)結(jié)型光電探測(cè)器及光伏器件，器件探測(cè)波長(zhǎng)可覆蓋可見-短波紅外波段。

圖2 裂柵極化調(diào)控的低維半導(dǎo)體p-n結(jié)固態(tài)結(jié)構(gòu)（自下而上實(shí)現(xiàn)）

上述工作提出的鐵電極化場(chǎng)調(diào)控低維半導(dǎo)體載流子的方法，為低維半導(dǎo)體功能化應(yīng)用提供了新技術(shù)途徑。相關(guān)研究成果相繼在《自然-電子學(xué)》（doi.org/10.1038/s41928-019-0350-y）和《先進(jìn)材料》（doi.org/10.1002/adma.201907937）等期刊公開發(fā)表。