新型二維原子晶體黑磷的導(dǎo)電類型調(diào)控及器件構(gòu)筑研究獲進(jìn)展

　　石墨烯、過渡金屬硫族化合物等二維原子晶體材料的發(fā)現(xiàn)極大地促進(jìn)了凝聚態(tài)物理中準(zhǔn)粒子（如激子、狄拉克費(fèi)米子等）在低維空間束縛下的量子特性以及新型電子、光電子器件的應(yīng)用等方面的相關(guān)研究。

　　近年來，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院物理研究所研究員高鴻鈞領(lǐng)導(dǎo)的納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室N04組在二維原子晶體材料的可控制備、物性調(diào)控及原型器件特性研究等方面取得了一系列研究成果。他們在2007年首次通過外延的方法在金屬釕單晶表面獲得了厘米量級(jí)大小、幾乎無缺陷的大面積高質(zhì)量單層石墨烯。2012年通過外延半導(dǎo)體硅材料及高溫退火將硅材料插入到石墨烯與金屬之間，形成石墨烯/硅/金屬結(jié)構(gòu)，直接原位地將大面積高質(zhì)量石墨烯“放在”硅基底上，實(shí)現(xiàn)了石墨烯在電子器件集成應(yīng)用上與硅基技術(shù)的結(jié)合。2015年，他們提出并證實(shí)了“硅原子誘導(dǎo)產(chǎn)生缺陷-原子穿過-缺陷自修復(fù)”的插層機(jī)制，通過硅原子、石墨烯、基底三者之間的協(xié)同作用，可以在石墨烯與基底之間實(shí)現(xiàn)大面積硅插層，并且將石墨烯與基底退耦合【J. Am. Chem. Soc. 137,7099 (2015)】。同時(shí)，他們還在室溫下實(shí)現(xiàn)了Ru(0001)上外延石墨烯的低勢壘硼替換摻雜，為實(shí)現(xiàn)石墨烯的空穴摻雜提供了有價(jià)值的參考【Nano Lett. 15, 6464 (2015)】。這一系列結(jié)果對(duì)于石墨烯電子學(xué)具有重要意義。

　　最近，該研究組對(duì)另一類新型功能二維原子晶體——黑磷及其器件構(gòu)筑與特性展開了系統(tǒng)研究。早在2009年，該研究組即成功地獲得了塊體黑磷表面的高分辨STM圖像，并對(duì)其幾何結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究【J. Phys. Chem. C, 113, 18823 (2009)】。黑磷是一種新型層狀結(jié)構(gòu)的直接帶隙二維半導(dǎo)體材料，隨著層數(shù)的減少，其帶隙由塊體的0.3 eV逐漸增大至單層的1.5 eV，在此過程中黑磷始終保持直接帶隙的特性。這一帶隙范圍覆蓋了光譜中從可見光到中紅外光的波段，在遠(yuǎn)程通訊、傳感器、太陽能電池等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。另外，少層黑磷場效應(yīng)晶體管表現(xiàn)出了優(yōu)異的電流開關(guān)比性能（～105），其空穴遷移率在室溫達(dá)到了 1000 cm2/Vs，顯示了其在邏輯、開關(guān)器件應(yīng)用領(lǐng)域的巨大潛力。然而，本征的黑磷是一種P型半導(dǎo)體材料，如果要實(shí)現(xiàn)黑磷材料的邏輯器件應(yīng)用，就需要有效調(diào)控其導(dǎo)電類型，獲得互補(bǔ)N型場效應(yīng)器件。在傳統(tǒng)半導(dǎo)體領(lǐng)域中，調(diào)控導(dǎo)電類型可以通過替代原子的方式來完成，而在二維材料中，由于其單層、少層的特性，穩(wěn)定的面內(nèi)鍵合，表面缺少懸掛鍵等，通過代位原子的方式來調(diào)控導(dǎo)電類型的目的極難實(shí)現(xiàn)。另外，黑磷在空氣中極不穩(wěn)定，也為器件制作工藝帶來了巨大挑戰(zhàn)。

　　針對(duì)黑磷的不穩(wěn)定性、調(diào)控導(dǎo)電類型的極具挑戰(zhàn)性，高鴻鈞研究組的博士生王國才、“所百人計(jì)劃研究員”鮑麗宏等與所內(nèi)孫力玲、張廣宇、顧長志等研究組以及美國Vanderbilt大學(xué)教授Sokrates T. Pantelides等人合作，在實(shí)驗(yàn)上首次發(fā)現(xiàn)了過曝PMMA覆蓋層對(duì)黑磷的保護(hù)及調(diào)控導(dǎo)電類型的作用，實(shí)現(xiàn)了黑磷的P型（空穴型）及N型（電子型）分立場效應(yīng)單元器件，進(jìn)而將它們集成在一起，構(gòu)筑了基于黑磷的柵調(diào)制二極管、雙向整流器與邏輯反相器等一系列平面邏輯器件。

　　如圖1所示，當(dāng)過曝PMMA覆蓋黑磷場效應(yīng)晶體管的一部分溝道時(shí)，轉(zhuǎn)移特性曲線表明未覆蓋部分為空穴主導(dǎo)的導(dǎo)電類型（P型），而覆蓋的部分為電子主導(dǎo)的導(dǎo)電類型（N型），證實(shí)了過曝PMMA覆蓋層對(duì)黑磷的摻雜作用，進(jìn)而通過調(diào)控電子束曝光劑量實(shí)現(xiàn)了對(duì)黑磷導(dǎo)電類型的調(diào)控。隨后，將P型、N型黑磷晶體管集成在一起構(gòu)成了黑磷二極管，器件的輸出曲線證實(shí)了其整流功能，整流比大于100且隨著柵壓變化而變化。另外，在零偏壓時(shí)，器件的關(guān)斷電流在pA/μm的量級(jí)，顯示了該柵控二極管的低功耗特性（圖2）。

　　以上結(jié)果表明用過曝PMMA覆蓋黑磷器件的不同部分時(shí)可以實(shí)現(xiàn)黑磷電子導(dǎo)電型晶體管（全覆蓋）和柵控二極管（部分覆蓋）。而將過曝PMMA條帶結(jié)構(gòu)放置在黑磷場效應(yīng)晶體管導(dǎo)電溝道中，零柵壓時(shí)器件的輸出特性也顯示了整流特性，當(dāng)改變所加偏壓的方向時(shí)，該器件顯示了幾乎相同的整流特性，證實(shí)了該器件具有雙向整流的特性（圖3）。這種雙向整流特性是由于過曝PMMA覆蓋的黑磷部分是電子導(dǎo)電為主，而未覆蓋的部分是空穴導(dǎo)電為主，從而在它們接觸的地方形成了能量勢壘，只有能量大于該勢壘的載流子才可以越過勢壘，而該器件采用了對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以可以實(shí)現(xiàn)雙向整流的特性。

　　邏輯反相器是實(shí)現(xiàn)電路邏輯功能的單元器件，而實(shí)現(xiàn)邏輯反相器的關(guān)鍵在于P型、N型分立場效應(yīng)器件以及對(duì)其導(dǎo)電特性的控制。如圖4所示，將P型和N型黑磷場效應(yīng)晶體管集成在一起即可構(gòu)成黑磷邏輯反相器，器件的輸出特性證實(shí)了其邏輯反相功能，電流增益達(dá)到了0.75。理想邏輯反相器的電流增益是無窮大，這一器件電流增益不大主要是由于背柵同時(shí)對(duì)P型和N型黑磷場效應(yīng)晶體管進(jìn)行調(diào)控，無法達(dá)到一個(gè)完全匹配的狀態(tài)，如要進(jìn)一步提高其電流增益，需要使用分立柵極對(duì)N型、P型黑磷場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)電特性進(jìn)行分立操作控制。另外，使用高k介質(zhì)也是一個(gè)可行的選擇。

　　以上結(jié)果近期發(fā)表在《納米快報(bào)》（Nano Letters 16, 6870 (2016)）上。該工作得到了科技部、基金委以及中科院的資助。

　　圖1.(a) 覆蓋過曝PMMA的黑磷器件與單純黑磷器件串聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖。(b) 相應(yīng)器件光學(xué)顯微鏡圖片。(c) 圖(b)中所示電極的對(duì)應(yīng)器件的轉(zhuǎn)移特性曲線。

　　圖2.（a）黑磷柵控二極管的光學(xué)顯微鏡圖片。(b) 器件的轉(zhuǎn)移特性曲線。(c) 線性坐標(biāo)系下，在不同背柵電壓調(diào)控下的輸出特性曲線，清晰地顯示了其整流作用。(d) 對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下，在不同背柵電壓調(diào)控下的輸出特性曲線。

　　圖3.（a）黑磷雙向整流器的光學(xué)顯微鏡圖片。(b) 零柵極電壓下，器件的輸出特性曲線（紅色：對(duì)數(shù)坐標(biāo)； 藍(lán)色：線性坐標(biāo)）。(c) 器件在不同偏壓方向時(shí)的輸出特性曲線。(d) 線性坐標(biāo)系下，在不同背柵電壓調(diào)控下的輸出特性曲線（插圖為相應(yīng)曲線在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下的情形）。

　　圖4.（a）黑磷邏輯反相器的器件示意圖。(b) 器件的光學(xué)顯微鏡圖片。(c) 器件中分立n-和p-型場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。(d) 邏輯反相器的輸出信號(hào)及增益與輸入信號(hào)間的變化曲線。