利用非易失性的鐵電極化場對低維半導體材料的精準摻雜的新方法

現(xiàn)代微芯片和傳感器件是支撐現(xiàn)今信息社會的重要載體。隨著技術及工藝進步，對材料物性及器件結構提出了更高要求。近年來，新型低維材料出現(xiàn)，其獨特結構和奇異物性備受關注，已在電子和光電子器件等領域顯現(xiàn)出其潛在的價值。通過元素摻雜來調控半導體材料載流子類型及濃度是構建半導體功能器件的物理基礎。具體到新型低維半導體材料，如何實現(xiàn)對其載流子的精準調控，同樣是實現(xiàn)其豐富功能器件的必經(jīng)之路。

近日，中國科學院上海技術物理研究所研究人員與復旦大學、南京大學、南京大學、華東師范大學及中科院微電子研究所的相關團隊通力合作，提出了利用非易失性的鐵電極化場對低維半導體材料的精準摻雜的新方法，并運用該方法構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控的低維半導體同質結（自上而下實現(xiàn)）

具體地，研究人員提出了兩種利用鐵電極化調控構建低維半導體光電器件方法。其一、通過納米探針技術極化鐵電薄膜，進而調控其覆蓋的低維半導體（自上而下方法，見圖1）。加正向電壓，極化向下，半導體材料中注入電子；加負向電壓，極化向上，半導體材料中注入空穴。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建了p-n結、BJT晶體管及新型存儲等器件。其二、構建裂柵結構，通過固態(tài)電極施加電壓極化鐵電薄膜，進而調控頂層低維半導體（自下而上，見圖2）。其特點是實現(xiàn)了固態(tài)結構，極化充分，器件性能及穩(wěn)定性更佳。運用上述兩種技術途徑，皆可實現(xiàn)結型光電探測器及光伏器件，器件探測波長可覆蓋可見-短波紅外波段。

圖2 裂柵極化調控的低維半導體p-n結固態(tài)結構（自下而上實現(xiàn)）

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