这一带隙范围覆盖了光谱中从可见光到中红外光的波段,在远程通讯、传感器、太阳能电池等领域具有广阔的应用前景。另外,少层黑磷场效应晶体管表现出了优异的电流开关比性能(~105),其空穴迁移率在室温达到了1000cm2/Vs,显示了其在逻辑、开关器件应用领域的巨大潜力。然而,本征的黑磷是一种P型半导体材料,如果要实现黑磷材料的逻辑器件应用,就需要有效调控其导电类型,获得互补N型场效应器件。
在传统半导体领域中,调控导电类型可以通过替代原子的方式来完成,而在二维材料中,由于其单层、少层的特性,稳定的面内键合,表面缺少悬挂键等,通过代位原子的方式来调控导电类型的目的极难实现。另外,黑磷在空气中极不稳定,也为器件制作工艺带来了巨大挑战。
针对黑磷的不稳定性、调控导电类型的极具挑战性,高鸿钧研究组的博士生王国才、“所百人计划研究员”鲍丽宏博士等与所内孙力玲、张广宇、顾长志等研究组以及美国Vanderbilt大学的Sokrates T. Pantelides教授等人合作,在实验上首次发现了过曝PMMA覆盖层对黑磷的保护及调控导电类型的作用,实现了黑磷的P型(空穴型)及N型(电子型)分立场效应单元器件,进而将它们集成在一起,构筑了基于黑磷的栅调制二极管、双向整流器与逻辑反相器等一系列平面逻辑器件。
如图1所示,当过曝PMMA覆盖黑磷场效应晶体管的一部分沟道时,转移特性曲线表明未覆盖部分为空穴主导的导电类型(P型)而覆盖的部分为电子主导的导电类型(N型),证实了过曝PMMA覆盖层对黑磷的掺杂作用,进而通过调控电子束曝光剂量实现了对黑磷导电类型的调控。随后,将P型、N型黑磷晶体管集成在一起构成了黑磷二极管,器件的输出曲线证实了其整流功能,整流比大于100且随着栅压变化而变化。另外,在零偏压时,器件的关断电流在pA/μm的量级,显示了该栅控二极管的低功耗特性(图2)。
图1. (a) 覆盖过曝PMMA的黑磷器件与单纯黑磷器件串联结构示意图。 (b) 相应器件光学显微镜图片。(c) 图(b)中所示电极的对应器件的转移特性曲线。
图2. (a)黑磷栅控二极管的光学显微镜图片。 (b) 器件的转移特性曲线。 (c) 线性坐标系下,在不同背栅电压调控下的输出特性曲线,清晰地显示了其整流作用。 (d) 对数坐标系下,在不同背栅电压调控下的输出特性曲线。
以上结果表明用过曝PMMA覆盖黑磷器件的不同部分时可以实现黑磷电子导电型晶体管(全覆盖)和栅控二极管(部分覆盖)。而将过曝PMMA条带结构放置在黑磷场效应晶体管导电沟道中,零栅压时器件的输出特性也显示了整流特性,当改变所加偏压的方向时,该器件显示了几乎相同的整流特性,证实了该器件具有双向整流的特性(图3)。这种双向整流特性是由于过曝PMMA覆盖的黑磷部分是电子导电为主,而未覆盖的部分是空穴导电为主,从而在它们接触的地方形成了能量势垒,只有能量大于该势垒的载流子才可以越过势垒,而该器件采用了对称结构,所以可以实现双向整流的特性。
图3. (a)黑磷双向整流器的光学显微镜图片。 (b) 零栅极电压下,器件的输出特性曲线(红色:对数坐标; 蓝色:线性坐标)。 (c) 器件在不同偏压方向时的输出特性曲线。 (d) 线性坐标系下,在不同背栅电压调控下的输出特性曲线(插图为相应曲线在对数坐标系下的情形)。
逻辑反相器是实现电路逻辑功能的单元器件,而实现逻辑反相器的关键在于P型、N型分立场效应器件以及对其导电特性的控制。如图4所示,将P型和N型黑磷场效应晶体管集成在一起即可构成黑磷逻辑反相器,器件的输出特性证实了其逻辑反相功能,电流增益达到了0.75。理想逻辑反相器的电流增益是无穷大,这一器件电流增益不大主要是由于背栅同时对P型和N型黑磷场效应晶体管进行调控,无法达到一个完全匹配的状态,如要进一步提高其电流增益,需要使用分立栅极对N型、P型黑磷场效应晶体管的导电特性进行分立操作控制。另外,使用高k介质也是一个可行的选择。
图4. (a)黑磷逻辑反相器的器件示意图。(b) 器件的光学显微镜图片。(c) 器件中分立n-和p-型场效应晶体管的转移特性曲线。(d) 逻辑反相器的输出信号及增益与输入信号间的变化曲线。
以上结果近期发表在Nano Letters 16, 6870 (2016)上。本工作得到了科技部、基金委以及中国科学院的资助。
来源:中国腐蚀与防护网