華中科技大學Nat. Commun.:通過局部鐵電極化實現可重構的二維光電器件

【引言】

原子級厚度的二維（2D）半導體由于量子限域效應而具有特殊的光電特性，極薄的厚度也使它們的性質極易受到外部環境、電場條件等的調制，因而在各種功能電子器件方面受到了廣泛的關注。通過高κ介質材料、離子液體或凝膠以及鐵電（FE）極化等進行調制，二維半導體可從半導體調節到金屬態或絕緣體，應用于諸如晶體管、邏輯反相器、存儲器、發光二極管和光電探測器等具有不同結構和功能的器件中。基于二維材料的的可調制特性，發展可重構的電子器件使其滿足不同的應用場景需求，有著誘人的前景。鐵電材料具有可重復翻轉的剩余極化，將其與二維半導體耦合可對二維半導體形成可擦寫的非易失調制。為此，近年來，鐵電材料與二維材料形成的復合功能器件受到了越來越多的關注。

根據鐵電材料的剩余極化強度（10-100 μC/cm²），理論上可實現對二維材料高達10¹³cm^-2的電子或空穴摻雜。然而，此前研究中基于鐵電剩余極化對二維半導體的調控程度仍然非常有限，尚未實現對2D材料可控的電子（n型）和空穴（p型）摻雜，而這則是多種光電子器件優化構筑必不可少的條件。

【成果簡介】

近日，華中科技大學翟天佑教授與諸葛福偉副教授報道了基于鐵電極化圖案定制的二硫化鉬（MoS₂）光電子器件研究，利用極化產生的局部電子和空穴摻雜實現了pn結型光電二極管和npn結型雙極型光電晶體管，分別用于自驅動式或高靈敏式、快速響應光電探測。研究發現，面內pn二極管可自發分離約12%的光生電子和空穴，進行自驅動式探測。而當重新極化為雙極型光電晶體管時，器件可獲得約1000倍的增益，使其響應度達到12 A W^-1，獲得超過10¹³瓊斯探測度的同時保持20 μs內的快響應速度。該成果以題為"Reconfigurable two-dimensional optoelectronic devices enabled by local ferroelectric polarization"近期發表在國際著名期刊Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖1 基于鐵電極化實現MoS₂的p、n型摻雜轉變

(a) 以AFM針尖作為極化電極對鐵電共聚物耦合的MoS₂器件進行極化；

(b) 鐵電共聚物中的P↑極化與MoS₂內載流子間的耦合使其界面附近累積空穴；

(c) MoS₂轉移到預制的10nm Cr/Au源漏電極后的AFM圖像，從而制作底電極接觸的器件；

(d) 在底電極接觸和頂電極接觸下，改變極化電壓（V_p）時MoS₂電導的變化回滯。

圖2 不同鐵電極化狀態下電子（n）和空穴（p）摻雜下MoS₂的場效應特性

(a) 恒定源漏偏壓V_ds = 1 V下Si背柵調制的MoS₂轉移特性曲線，說明MoS₂在P↑極化下由初始n型轉變為p型半導體；

(b) 從場效應測試中提取的電子和空穴遷移率。

圖3 基于局域鐵電極化圖案調制的MoS₂ pn結及其光電特性

(a) 基于AFM針尖實現鐵電極化圖案的原理示意圖；

(b) 在器件區域內構筑的鐵電極化圖案在壓電力顯微鏡（PFM）下的相位圖；

(c) 不同極化圖案下（整體p型和n型摻雜、pn結型摻雜）MoS₂溝道的I-V特性；

(d) 532 nm激光照射下MoS₂ pn結的I-V特性；

(e) 原始MoS₂光電導器件的慢響應與pn結型探測器的自驅動式響應對比；

(f) pn結型探測器內自驅動光電流的空間分布，顯示光電流主要來自溝道中心的pn結區域。

圖4 基于鐵電極化圖案實現的MoS₂雙極型光電晶體管

(a) 基于鐵電極化圖案制備npn雙極型光電晶體管的原理示意圖；

(b)器件中實現npn光電晶體管所用的極化圖案的壓電力顯微鏡相位圖；

(c) npn光電晶體管在偏壓下的能帶示意圖；

(d) npn光電晶體管工作時的等效電路圖。

圖5 MoS₂雙極型光電晶體管的光電探測性能表現

(a)不同激光照射強度下，MoS₂ npn晶體管的光響應特性；

(b) 固定集電極-發射極偏壓V_CE = 1 V條件下，使用Si背柵測量的轉移曲線；

(c)不同光照強度下器件的響應度和閾值電壓偏移ΔV_th；

(d) V_CE = 0和1 V條件下npn雙極光電晶體管中光電流的空間分布圖；

(e)光電流在器件內的橫向分布與器件的極化圖案（PFM相位圖）對比；

(f) 文中實現的不同類型MoS₂光電器件的光電探測性能及與文獻中同類型器件的對比。

圖6 基于鐵電極化構建的MoS₂ 三端npn雙極晶體管及其輸出放大特性

(a) 構筑三端子雙極晶體管所使用的鐵電極化圖案的PFM相位圖；

(b) 三端式雙極晶體管內集電極電流I_C的電流貢獻示意圖；

(c) 改變基極輸入電壓V_BE時測量的三端子雙極晶體管的輸出特性；

(d) 不同V_BE輸入下器件中的集電極電流I_C和基極電流I_B，集電極電流相對于輸入基極電流可獲得大約3000倍的放大，證實該類雙極晶體管較高的放大增益。

【小結】

本文中，作者通過使用底電極接觸構型實現了基于鐵電極化可控調節的MoS₂電子和空穴摻雜，展示了利用鐵電極化可擦寫特性定制的不同類型的光電探測器件。通過將MoS₂器件極化為pn二極管和npn雙極晶體管的同質結，器件可定制成無需持續外部柵壓調制的具有優異自驅動探測或高增益、快速響應式光電探測器。此外，作者還指出，鑒于二維半導體以及范德華異質結的蓬勃發展，基于局域化的鐵電極化來定制高性能光電子器件研究仍有巨大的提升空間。未來，利用預制頂柵電極圖案或使用柔性電子印記方法制備陣列式光電子器件大有發展潛力。

文獻鏈接：Reconfigurable two-dimensional optoelectronic devices enabled by local ferroelectric polarization?(Nat. Commun., 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-11328-0)

【團隊介紹】

翟天佑，華中科技大學二級教授，材料成形與模具技術國家重點實驗室副主任，國家杰出青年基金獲得者。2003年本科畢業于鄭州大學化學系，2008年博士畢業于中國科學院化學研究所，師從姚建年院士。2008-2012年在日本物質材料研究機構先后任JSPS博士后(合作導師Yoshio Bando教授)和ICYS研究員。主要從事二維材料與光電器件方面的研究，以第一或通訊作者身份在Chem. Soc. Rev. (3), Prog. Mater. Sci. (2), Adv. Mater. (20), Angew. Chem. Int. Ed. (3), JACS (2), Nat. Commun. (2), Adv. Funct. Mater. (24), ACS Nano (5)等期刊上發表論文172篇(87篇IF>10，141篇IF>5)，所有論文SCI期刊引用12700余次，H因子58。主持編纂英文專著1本，受邀撰寫兩本專著中的5章；申請中國和日本專利15項，授權6項；先后擔任Science Bulletin和 Frontiers in Chemistry副主編，《科學通報》、《無機材料學報》、《無機化學學報》編委。擔任中國化學會青年化學工作委員會委員，中國材料研究學會青年委員會理事和納米材料與器件分會理事，中國電子學會半導體科技青年專委會委員等。

相關優質文獻推薦

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