Adv. Funct. Mater.：具有高電子遷移率的場致N摻黑磷用于CMOS二維邏輯電子器件

【引言】

石墨烯、六方氮化硼和過渡金屬硫化物等二維材料具有優異的力學和光電性能，在電子和光電子器件應用領域具有巨大的潛力，因此受到了廣泛的研究。雖然石墨烯具有20000 cm²V^-1s^-1的超高遷移率，但是石墨烯的零帶隙特性限制了其在邏輯電子器件領域的應用。同時過渡金屬硫化物也面臨著載流子遷移率低等問題。因此，尋找一種同時具有直接帶隙和高載流子遷移率的二維材料變得迫切需要。

黑磷，作為一種新型的二維材料，具有可調的帶隙（通過厚度調控）以及大于1000 cm²V^-1s^-1的電子遷移率，是高性能的納米電子器件的優秀候選材料。然而，原始黑磷是P型材料，雖然空穴傳輸能力強，但是電子傳輸能力卻很差。這種單極性特性使得黑磷很難在互補型單層黑磷器件上發揮作用。因此，對黑磷進行N型摻雜是使得黑磷應用于半導體器件領域（如：邏輯門、光電二極管、LED和太陽能電池等）的重要措施。現有對黑磷進行N型摻雜的方法有以下三種：1.取代摻雜法，包括離子注入和等離子體處理等；2.表面電荷轉移法，涉及到氣體分子、金屬顆粒、有機物和氧化物；3.場致摻雜法。取代摻雜法可以使少數二維材料完成N型摻雜，但是會引入缺陷態以及電荷雜質散射中心導致載流子傳輸特性嚴重衰減。表面電荷轉移法也是一種有效摻雜的方法，但是表面電荷轉移法中引進的有機物等材料不僅會導致器件不穩定還使得器件與傳統半導體器件的兼容性差。???????

場致摻雜中常用到的Si_xN_y擁有高密度的正電荷中心（K⁺中心），該中心源于+Si≡N3的懸掛鍵。利用Si_xN_y進行場致摻雜已經成功應用于硅基太陽能電池和WSe₂二維器件。此外，Si_xN_y還是傳統的COMS相容材料，常用作于集成電路中的絕緣層和化學勢壘等，同時Si_xN_y還是一種防水的鈍化材料。至今為止，仍沒用報告利用Si_xN_y的場致效應對黑磷進行N型摻雜。

【成果簡介】

近日，清華大學、中國科學院蘇州納米所的張躍鋼教授、中科院蘇州納米所張凱研究員，以及深圳大學的張晗教授（共同通訊作者）等人在Adv. Funct. Mater.上發表了一篇名為“Field-Induced n-Doping of Black Phosphorus for CMOS Compatible 2D Logic Electronics with High Electron Mobility”的文章。該研究首次利用具有場致效應的Si_xN_y對黑磷進行N型摻雜，成功將P型黑磷轉變成N型黑磷，電子遷移率達到176cm²V^-1s^-1。此外，作者還通過原始的P-型黑磷和摻雜后的N型黑磷構造出了黑磷P-N結二極管，并且進一步成功制備出了新型的黑磷基邏輯反相器。

【圖文導讀】

圖1：Si_xN_y場致N摻黑磷的結構與性能表征

(a).Si_xN_y場致N摻黑磷的示意圖；

(b).機械剝離厚度為9 nm的黑磷薄片的AFM圖；

(c).生長在硅基上的黑磷的拉曼光譜；

(d).Si_xN_y摻雜黑磷場效應晶體管的光學圖像；

(e).不同柵極電壓下N型摻雜黑磷場效應晶體管的I_sd-V_sd曲線；

(f).摻雜前和摻雜后的黑磷場效應晶體管的I_sd-V_g曲線。

圖2：黑磷場效應晶體管的溫度特性和環境穩定性

(a).Si_xN_y摻雜黑磷場效應晶體管不同溫度下的傳輸特性曲線，V_sd=100mV；

(b).Si_xN_y摻雜黑磷場效應晶體管暴露在空氣中一個月，其不同階段下的傳輸特性曲線，測試條件為：室溫、V_sd=100mV；

(c).摻雜前于摻雜后黑磷的電子空穴遷移率與溫度的關系曲線；

(d).摻雜后黑磷器件的電子和空穴遷移率隨時間的變化關系曲線。

圖3：黑磷PN型二極管的性能表征

(a).黑磷PN型二極管的光學圖像；

(b).黑磷場效應晶體管和黑磷PN型二極管的I_sd-V_sd曲線；

(c).黑磷PN型二極管在不同柵極電壓下的I_sd-V_sd曲線；

(d).黑磷PN型二極管的整流比與柵極電壓的關系曲線。

圖4：黑磷邏輯反相器的示意圖和性能表征

(a).基于單層黑磷薄片的原始P型黑磷溝道和摻雜N型黑磷溝道構建成的黑磷邏輯反相器的示意圖；

(b).不同外加偏壓下，輸出電壓與輸入電壓的關系曲線，插圖為增益；

(c).100Hz頻率下，器件輸出電壓與輸入電壓關系曲線；

(d).1000Hz頻率下，器件輸出電壓與輸入電壓關系曲線；

【小結】

研究者們利用無揮發性、COMS兼容和穩定性好的Si_xN_y成功對黑磷進行N性摻雜，電子遷移率高達176cm²V^-1s^-1。并且巧妙的設計出了黑磷平面PN型二極管和黑磷邏輯反相器。該策略也為其他二維材料的摻雜提供了一條可行性的方案。

文獻鏈接：Field-Induced n-Doping of Black Phosphorus for CMOS Compatible 2D Logic Electronics with High Electron Mobility (Adv. Funct. Mater., 2017, DOI:10.1002/adfm.201702211 )

本文由材料人電子電工學術組劉于金供稿，材料牛整理編輯。

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