Nature子刊: 可程序化的二维非易失性p-n结

【引言】

p-n结普遍存在于现代半导体电子和光电器件中，如二极管，整流器，LED和光伏电池等。而在集成电路精度要求日益提升的今天，对p-n结小型化的需求也推进了二维材料的研究进展。石墨烯和过渡金属硫族化合物以其优异的电学和光学特性，在未来微纳电子领域中具有可观的潜在应用。

【成果简介】

近日，新加坡南洋理工大学的刘政助理教授，莱斯大学的Pulickel M. Ajayan教授，同济大学的张增星副教授 (共同通讯作者) 等人在Nature Nanotechnology杂志上发表了一篇题为“Two-dimensional non-volatile programmable p-n junctions”的文章。研究人员利用垂直堆垛二维半导体/绝缘体/金属异质结构构建了半浮栅场效应晶体管 (SFG-FETs)，并实现稳定非易失性可程序化p-n结。该p-n结表现出优异的整流特性，具有10⁴的整流比，并且在6.8nW光照下达到能量转换效率达4.1%的光伏特性。通过栅极电压控制其非易失性可程序化性质，该p-n结可应用于多种电子和光电器件，如存储器，光伏电源，逻辑整流器和逻辑光电集成电路等。

【图文导读】

图1. 构成SFG-FETs的WSe₂/h-BP/graphene 堆垛范德华异质结构

(a). WSe₂/h-BP/graphene SFG-FETs 器件的结构示意图。其中WSe₂作为传输沟道，石墨烯是半悬浮栅极，Si是控制栅极，h-BP和SiO₂是绝缘层。只有一部分WSe₂与石墨烯相接触形成SFG-FET 结构。

(b). 制备的SFG-FETs器件的彩色合成扫描照片，标尺5µm。

(c). Si上不加电压时WSe₂两端的I_D-V_DS曲线。

图2. 在WSe₂/h-BP/graphene 堆垛器件中获得的非易失性WSe₂ p-n结

(a). Si上加+40V电压时WSe₂两端的ID-VDS曲线，插图为WSe₂ p-n结的能带图示意图。

(b). Si上加不同电压下WSe₂两端的I_D-V_DS曲线。

(c). Si上加正电压下WSe₂/h-BP/graphene 结构中的电荷掺杂状态。

(d). 去除Si上正电压后WSe₂/h-BP/graphene 异质结构中电荷掺杂状态。

(e). 平带结构示意图（中间），施加正电压下能带结构（左），去除正电压下能带结构（右）。其中：X, E和W_GR分别表示电子亲和能，带隙和石墨烯的功函数。

图3. WSe₂/h-BP/graphene 异质结构实现非易失性p-n结存储器和逻辑整流器

(a). V_DS=±1V时器件的I_D-V_CG曲线。

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

(c，d).施加V_{CG, pulse}=± 40V，V_DS=±1V时erase (‘on’) 和 program (‘off’) 状态间的转换行为。

(e). 不同状态下器件的整流特性。

(f). 施加V_{CG, pulse}=± 40V时，不同整流状态下的器件转换行为。蓝色虚线表示输入电压+2V，红色虚线输入电压-2V。

图4. WSe₂/h-BP/graphene 异质结构用于光伏器件和非易失性光伏存储器

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

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

(c). 在控制栅极施加V_{CG, pulse}=±20V下的V_OC随时间变化，光照为6.8nW。

(d). 施加V_{CG, pulse}=± 20V时器件在erase (‘on’) 和program (‘off’) 间V_OC转换行为，光照为6.8nW。

【小结】

该工作基于二维晶体的半浮栅场效应晶体管（SFG-FET）新型结构，构建出具有逻辑调控和信息存储功能的新型p-n结。与传统的半导体p-n结不同，在这种新型p-n结里，可以通过调控脉冲电压，实现二维晶体在p-n结与非p-n结之间的逻辑变化；而且这种结构还具有非易失性可存储功能，存储寿命远远超过10年，达到了可实用化半导体器件的水平。相关结果可用于发展新型电子和光电子器件，同时也为发展便携式柔性透明器件提供了材料基础。

文献链接：Two-dimensional non-volatile programmable p-n junctions (Nat. Nanotech., 2017, DOI: 10.1038/nnano.2017.104)

本文由材料人电子电工学术组任丹丹供稿，材料牛整理编辑。

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