Nature子刊: 可程序化的二維非易失性p-n結

【引言】

p-n結普遍存在于現代半導體電子和光電器件中，如二極管，整流器，LED和光伏電池等。而在集成電路精度要求日益提升的今天，對p-n結小型化的需求也推進了二維材料的研究進展。石墨烯和過渡金屬硫族化合物以其優異的電學和光學特性，在未來微納電子領域中具有可觀的潛在應用。

【成果簡介】

近日，新加坡南洋理工大學的劉政助理教授，萊斯大學的Pulickel M. Ajayan教授，同濟大學的張增星副教授 (共同通訊作者) 等人在Nature Nanotechnology雜志上發表了一篇題為“Two-dimensional non-volatile programmable p-n junctions”的文章。研究人員利用垂直堆垛二維半導體/絕緣體/金屬異質結構構建了半浮柵場效應晶體管 (SFG-FETs)，并實現穩定非易失性可程序化p-n結。該p-n結表現出優異的整流特性，具有10⁴的整流比，并且在6.8nW光照下達到能量轉換效率達4.1%的光伏特性。通過柵極電壓控制其非易失性可程序化性質，該p-n結可應用于多種電子和光電器件，如存儲器，光伏電源，邏輯整流器和邏輯光電集成電路等。

【圖文導讀】

圖1. 構成SFG-FETs的WSe₂/h-BP/graphene 堆垛范德華異質結構

(a). WSe₂/h-BP/graphene SFG-FETs 器件的結構示意圖。其中WSe₂作為傳輸溝道，石墨烯是半懸浮柵極，Si是控制柵極，h-BP和SiO₂是絕緣層。只有一部分WSe₂與石墨烯相接觸形成SFG-FET 結構。

(b). 制備的SFG-FETs器件的彩色合成掃描照片，標尺5μm。

(c). Si上不加電壓時WSe₂兩端的I_D-V_DS曲線。

圖2. 在WSe₂/h-BP/graphene 堆垛器件中獲得的非易失性WSe₂ p-n結

(a). Si上加+40V電壓時WSe₂兩端的ID-VDS曲線，插圖為WSe₂ p-n結的能帶圖示意圖。

(b). Si上加不同電壓下WSe₂兩端的I_D-V_DS曲線。

(c). Si上加正電壓下WSe₂/h-BP/graphene 結構中的電荷摻雜狀態。

(d). 去除Si上正電壓后WSe₂/h-BP/graphene 異質結構中電荷摻雜狀態。

(e). 平帶結構示意圖（中間），施加正電壓下能帶結構（左），去除正電壓下能帶結構（右）。其中：X, E和W_GR分別表示電子親和能，帶隙和石墨烯的功函數。

圖3. WSe₂/h-BP/graphene 異質結構實現非易失性p-n結存儲器和邏輯整流器

(a). V_DS=±1V時器件的I_D-V_CG曲線。

(b). 不同V_{CG, pulse}和V_DS值下WSe₂中I_D變化。

(c，d).施加V_{CG, pulse}=± 40V，V_DS=±1V時erase (‘on’) 和 program (‘off’) 狀態間的轉換行為。

(e). 不同狀態下器件的整流特性。

(f). 施加V_{CG, pulse}=± 40V時，不同整流狀態下的器件轉換行為。藍色虛線表示輸入電壓+2V，紅色虛線輸入電壓-2V。

圖4. WSe₂/h-BP/graphene 異質結構用于光伏器件和非易失性光伏存儲器

(a). 黑暗和光照下器件的I_D-V_DS曲線, V_{CG, pulse}=+20V。

(b). 不同光照功率下P_EL隨V_DS變化, V_{CG, pulse}=+20V。

(c). 在控制柵極施加V_{CG, pulse}=±20V下的V_OC隨時間變化，光照為6.8nW。

(d). 施加V_{CG, pulse}=± 20V時器件在erase (‘on’) 和program (‘off’) 間V_OC轉換行為，光照為6.8nW。

【小結】

該工作基于二維晶體的半浮柵場效應晶體管（SFG-FET）新型結構，構建出具有邏輯調控和信息存儲功能的新型p-n結。與傳統的半導體p-n結不同，在這種新型p-n結里，可以通過調控脈沖電壓，實現二維晶體在p-n結與非p-n結之間的邏輯變化；而且這種結構還具有非易失性可存儲功能，存儲壽命遠遠超過10年，達到了可實用化半導體器件的水平。相關結果可用于發展新型電子和光電子器件，同時也為發展便攜式柔性透明器件提供了材料基礎。

文獻鏈接：Two-dimensional non-volatile programmable p-n junctions (Nat. Nanotech., 2017, DOI: 10.1038/nnano.2017.104)

本文由材料人電子電工學術組任丹丹供稿，材料牛整理編輯。

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