吉林大学李贤斌Nano Today综述: 面向二维半导体电子器件应用的缺陷物理与调控

【引言】

二维半导体是指具有原子级别厚度且电子被限制在二维平面内运动的材料。体系维度降低所带来的量子限制效应和弱屏蔽效应赋予二维半导体许多新奇的物理和化学性质，使其在诸多领域具有重要应用前景。尤其是在高性能微电子器件方面，二维半导体具有天然优势，可显著提升器件集成度而且降低功耗，因此被认为是硅材料潜在“接班人”来续写摩尔定律。通过精准调控缺陷实现可靠稳定的N型和P型导电特性是促进基于二维半导体的电子器件工业化发展的关键前提。

【成果简介】

近日，吉林大学电子科学与工程学院李贤斌副教授与王丹博士在Nano Today上发表题为“Engineering two-dimensional electronics by semiconductor defects”的综述文章。该综述从实验表征和理论计算两个方面，对近年来缺陷在调控二维材料性能及二维电子器件性能方面的工作进行了系统回顾，并且总结了目前二维电子器件领域缺陷调控亟待解决的问题和亟待探索的研究方向。

图1. 综述导览图

一、二维半导体材料在电子器件应用中的重要角色

相对于三维半导体材料而言，二维半导体材料厚度很薄，电荷分布范围窄，栅极电压对于电荷的控制更加容易，且二维材料表面无悬挂键，这些内在优势使得基于二维半导体材料的小尺寸晶体管器件得以实现，如图2所示。

图2. 二维半导体在电子器件方面的本质优势

二、实验表征

缺陷图像表征是探索缺陷行为的基础。透射电子显微镜技术及扫描隧道显微镜技术是主要的表征手段。目前，二维半导体，如氮化硼、二硫化钼等中本征缺陷及掺杂杂质的表征已经取得了一定的进展，如图3所示。

图3. 二维材料中缺陷表征图

三、理论计算

缺陷性能计算对于通过缺陷工程改变材料性能而言至关重要。但在第一性原理计算框架中，二维材料中带电缺陷的计算面临能量发散的难题： 带电缺陷体系能量随晶胞真空尺寸线性发散，如图4所示。针对这一难题，李贤斌课题组与伦斯勒理工学院张绳百教授合作推演出真空背景电荷与二维体系中带电缺陷间相互作用的数理关系，在此基础上提出新的计算方法，相关成果2015年在《Physical Review Letters》发表。该方法被哈佛大学、德国马普所、新加坡高性能计算研究所、印度科学院、纽约城市大学等研究组正面评价或引用。在此基础上，李贤斌副教授和王丹博士进一步探索了此计算方法的普适化形式，以适用于具有任意厚度和平面对称性的二维半导体体系，并成功用于二维材料厚度对缺陷性能的影响分析。该研究于2017年在《Physical Review B》发表。

图4. 二维材料中带电缺陷性能评估困难及解决方法

四、器件应用

通过缺陷或掺杂实现材料的N型或P型导电是实现二维电子器件的前提。测量器件转移特性曲线可确定材料导电类型，如图5所示。寻找可行的掺杂方案是主要挑战之一。因此，缺陷工程对于未来高性能电子器件的实现而言至关重要。

图5. 基于二维材料的电子器件性能曲线

五、主流二维半导体中缺陷性能汇总表

总结了主流二维半导体中缺陷性能，包括提供的载流子类型，载流子浓度，缺陷离化能。

六、总结

本综述讨论了二维半导体材料在未来电子、光电子器件方面的重要性。回顾了诸多实验中对二维半导体缺陷的具体表征，分析了缺陷性能评估遇到的难题和解决方法，总结了缺陷工程在提高电子器件性能方面的关键角色。整理了目前主流二维半导体中缺陷性能的数据库。最后展望了未来挑战及提出了后续缺陷研究的新方向。

文献链接：Engineering two-dimensional electronics by semiconductor defects (Nano Today 16, 30 (2017). DOI：10.1016/j.nantod.2017.07.001)

【作者介绍】

李贤斌副教授从事信息科学技术相关的半导体物理问题研究，曾在半导体缺陷调控、相变信息存储材料开发、光与物质作用等取得进展。可戳我查看老师课题组主页。

本文由吉林大学李贤斌副教授课题组提供。

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