吉林大學李賢斌Nano Today綜述: 面向二維半導體電子器件應用的缺陷物理與調控

【引言】

二維半導體是指具有原子級別厚度且電子被限制在二維平面內運動的材料。體系維度降低所帶來的量子限制效應和弱屏蔽效應賦予二維半導體許多新奇的物理和化學性質，使其在諸多領域具有重要應用前景。尤其是在高性能微電子器件方面，二維半導體具有天然優勢，可顯著提升器件集成度而且降低功耗，因此被認為是硅材料潛在“接班人”來續寫摩爾定律。通過精準調控缺陷實現可靠穩定的N型和P型導電特性是促進基于二維半導體的電子器件工業化發展的關鍵前提。

【成果簡介】

近日，吉林大學電子科學與工程學院李賢斌副教授與王丹博士在Nano Today上發表題為“Engineering two-dimensional electronics by semiconductor defects”的綜述文章。該綜述從實驗表征和理論計算兩個方面，對近年來缺陷在調控二維材料性能及二維電子器件性能方面的工作進行了系統回顧，并且總結了目前二維電子器件領域缺陷調控亟待解決的問題和亟待探索的研究方向。

圖1. 綜述導覽圖

一、二維半導體材料在電子器件應用中的重要角色

相對于三維半導體材料而言，二維半導體材料厚度很薄，電荷分布范圍窄，柵極電壓對于電荷的控制更加容易，且二維材料表面無懸掛鍵，這些內在優勢使得基于二維半導體材料的小尺寸晶體管器件得以實現，如圖2所示。

圖2. 二維半導體在電子器件方面的本質優勢

二、實驗表征

缺陷圖像表征是探索缺陷行為的基礎。透射電子顯微鏡技術及掃描隧道顯微鏡技術是主要的表征手段。目前，二維半導體，如氮化硼、二硫化鉬等中本征缺陷及摻雜雜質的表征已經取得了一定的進展，如圖3所示。

圖3. 二維材料中缺陷表征圖

三、理論計算

缺陷性能計算對于通過缺陷工程改變材料性能而言至關重要。但在第一性原理計算框架中，二維材料中帶電缺陷的計算面臨能量發散的難題： 帶電缺陷體系能量隨晶胞真空尺寸線性發散，如圖4所示。針對這一難題，李賢斌課題組與倫斯勒理工學院張繩百教授合作推演出真空背景電荷與二維體系中帶電缺陷間相互作用的數理關系，在此基礎上提出新的計算方法，相關成果2015年在《Physical Review Letters》發表。該方法被哈佛大學、德國馬普所、新加坡高性能計算研究所、印度科學院、紐約城市大學等研究組正面評價或引用。在此基礎上，李賢斌副教授和王丹博士進一步探索了此計算方法的普適化形式，以適用于具有任意厚度和平面對稱性的二維半導體體系，并成功用于二維材料厚度對缺陷性能的影響分析。該研究于2017年在《Physical Review B》發表。

圖4. 二維材料中帶電缺陷性能評估困難及解決方法

四、器件應用

通過缺陷或摻雜實現材料的N型或P型導電是實現二維電子器件的前提。測量器件轉移特性曲線可確定材料導電類型，如圖5所示。尋找可行的摻雜方案是主要挑戰之一。因此，缺陷工程對于未來高性能電子器件的實現而言至關重要。

圖5. 基于二維材料的電子器件性能曲線

五、主流二維半導體中缺陷性能匯總表

總結了主流二維半導體中缺陷性能，包括提供的載流子類型，載流子濃度，缺陷離化能。

六、總結

本綜述討論了二維半導體材料在未來電子、光電子器件方面的重要性。回顧了諸多實驗中對二維半導體缺陷的具體表征，分析了缺陷性能評估遇到的難題和解決方法，總結了缺陷工程在提高電子器件性能方面的關鍵角色。整理了目前主流二維半導體中缺陷性能的數據庫。最后展望了未來挑戰及提出了后續缺陷研究的新方向。

文獻鏈接：Engineering two-dimensional electronics by semiconductor defects (Nano Today 16, 30 (2017). DOI：10.1016/j.nantod.2017.07.001)

【作者介紹】

李賢斌副教授從事信息科學技術相關的半導體物理問題研究，曾在半導體缺陷調控、相變信息存儲材料開發、光與物質作用等取得進展。可戳我查看老師課題組主頁。

本文由吉林大學李賢斌副教授課題組提供。

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