Science advances:利用光電摻雜，實現對過渡金屬硫化物可控性摻雜，該摻雜方法超快、高效、非易失且可逆

【前言】

相比于硅基器件，基于二維納米材料的半導體器件尺寸更小，并展現了更加豐富、優異的電學特性。如果基于二維材料的半導體器件可以取代硅基器件，將大幅度提升芯片集成度，延續摩爾定律，迎來一場巨大的芯片革命。目前，越來越多的材料物理學家，致力于二維材料晶圓級生長，并取得了非常大的成功。然而，芯片革命成功的關鍵因素在于實現二維材料可控性的摻雜，形成穩定的p型和n型二維納米半導體材料。

目前應用于二維納米半導體材料的摻雜手段主要分為以下三個方面：

(1)雙柵極場效應管：其器件極性通過單獨的柵極結構施加電壓來控制，然而該摻雜方法具有易失性，斷電后，器件極性不能保持。(2)表面修飾：在二維材料表明修飾化學分子或是沉積原子層，二維材料與修飾層發生電荷交換，實現二維材料極性控制。然而，該摻雜方法會在二維材料表面引入大量的化學雜質，導致器件遲滯現象嚴重，嚴重影響器件的電學特性。(3)不同功函數金屬接觸，實現器件極性控制：低功函數金屬(例如Cr/Au)做接觸，實現n型器件；高功函數金屬(Pd/Au)做接觸，使器件極性為p型。然而，高功函數金屬價格昂貴，使器件制備成本增高。此外，以上三種摻雜手段，工藝復雜，均不能與標準的CMOS工藝兼容。

【成果簡介】

近日，天津大學胡曉東、劉晶團隊提出了一種光電摻雜方法：該摻雜方法利用紫外光照和局部電場聯合作用，實現了對二維納米材料的可控性摻雜：(1)可以形成單極性的n型器件和p型器件,且摻雜后的p型和n型器件具有高的載流子遷移率和載流子密度；(2)摻雜可逆，摻雜速度超快，摻雜周期在100ms以內；(3)摻雜是非易失的，摻雜后的器件可在空氣環境下穩定工作，且沒有任何遲滯現象；(4)該光電摻雜工藝與傳統的CMOS工藝兼容，即利用傳統的紫外光刻工藝，就可以實現二維納米材料的空間選擇性p型和n型摻雜，實現同質pn結，并應用于光電探測器和光伏器件。

【圖文導讀】

圖1：可逆性摻雜，實現高性能單極性p型和n型器件

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圖2：超快摻雜，摻雜周期ms級

圖3：空氣環境下單極性p型和n型器件的穩定性

圖4：空氣環境下單極性p型和n型器件的零遲滯性

圖5：利用該摻雜方法形成同質結，應用于光電探測器和光伏器件

Enxiu Wu et al. Dynamically controllable 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

通訊作者及團隊介紹：

胡曉東

天津大學教授。主持國家自然科學基金項目2項，國家973計劃課題1項，國家863計劃子項目3項，省部級重點項目2項，作為主要參與人完成國家和省部級項目10余項；近年在Science Advances，ACS NANO等國際頂級期刊上來發表學術論文100余篇；已授權發明專利10項，撰寫了2項國家標準.

劉晶

2013年11月至今任天津大學精密儀器與光電子工程學院副教授，2006年與2008年分別獲得華中科技大學光信息與技術專業學士和碩士學位，2012年12月獲得于美國密歇根大學生物醫學工程系博士學位。2014年入選天津市第十批青年千人項目，榮獲天津大學北洋青年學者骨干教師稱號。主要研究方向包括納米材料器件物理、納米材料傳感器，以及它們在柔性傳感、光電檢測和臨床醫療等領域的應用。2009年至今，在Science Advances，ACS NANO等國際期刊上發表SCI論文40篇，平均影響因子8.73，總引用800余次，h指數15。多次受邀參加國內外學術會議并做大會報告。承擔國家自然科學性基金和國家重點研發計劃等項目。

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本文由天津大學國家重點實驗室胡曉東教授課題組供稿，材料人編輯部編輯

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