Adv. Funct. Mater.：具有高电子迁移率的场致N掺黑磷用于CMOS二维逻辑电子器件

【引言】

石墨烯、六方氮化硼和过渡金属硫化物等二维材料具有优异的力学和光电性能，在电子和光电子器件应用领域具有巨大的潜力，因此受到了广泛的研究。虽然石墨烯具有20000 cm²V^-1s^-1的超高迁移率，但是石墨烯的零带隙特性限制了其在逻辑电子器件领域的应用。同时过渡金属硫化物也面临着载流子迁移率低等问题。因此，寻找一种同时具有直接带隙和高载流子迁移率的二维材料变得迫切需要。

黑磷，作为一种新型的二维材料，具有可调的带隙（通过厚度调控）以及大于1000 cm²V^-1s^-1的电子迁移率，是高性能的纳米电子器件的优秀候选材料。然而，原始黑磷是P型材料，虽然空穴传输能力强，但是电子传输能力却很差。这种单极性特性使得黑磷很难在互补型单层黑磷器件上发挥作用。因此，对黑磷进行N型掺杂是使得黑磷应用于半导体器件领域（如：逻辑门、光电二极管、LED和太阳能电池等）的重要措施。现有对黑磷进行N型掺杂的方法有以下三种：1.取代掺杂法，包括离子注入和等离子体处理等；2.表面电荷转移法，涉及到气体分子、金属颗粒、有机物和氧化物；3.场致掺杂法。取代掺杂法可以使少数二维材料完成N型掺杂，但是会引入缺陷态以及电荷杂质散射中心导致载流子传输特性严重衰减。表面电荷转移法也是一种有效掺杂的方法，但是表面电荷转移法中引进的有机物等材料不仅会导致器件不稳定还使得器件与传统半导体器件的兼容性差。       

场致掺杂中常用到的Si_xN_y拥有高密度的正电荷中心（K⁺中心），该中心源于+Si≡N3的悬挂键。利用Si_xN_y进行场致掺杂已经成功应用于硅基太阳能电池和WSe₂二维器件。此外，Si_xN_y还是传统的COMS相容材料，常用作于集成电路中的绝缘层和化学势垒等，同时Si_xN_y还是一种防水的钝化材料。至今为止，仍没用报告利用Si_xN_y的场致效应对黑磷进行N型掺杂。

【成果简介】

近日，清华大学、中国科学院苏州纳米所的张跃钢教授、中科院苏州纳米所张凯研究员，以及深圳大学的张晗教授（共同通讯作者）等人在Adv. Funct. Mater.上发表了一篇名为“Field-Induced n-Doping of Black Phosphorus for CMOS Compatible 2D Logic Electronics with High Electron Mobility”的文章。该研究首次利用具有场致效应的Si_xN_y对黑磷进行N型掺杂，成功将P型黑磷转变成N型黑磷，电子迁移率达到176cm²V^-1s^-1。此外，作者还通过原始的P-型黑磷和掺杂后的N型黑磷构造出了黑磷P-N结二极管，并且进一步成功制备出了新型的黑磷基逻辑反相器。

【图文导读】

图1：Si_xN_y场致N掺黑磷的结构与性能表征

(a).Si_xN_y场致N掺黑磷的示意图；

(b).机械剥离厚度为9 nm的黑磷薄片的AFM图；

(c).生长在硅基上的黑磷的拉曼光谱；

(d).Si_xN_y掺杂黑磷场效应晶体管的光学图像；

(e).不同栅极电压下N型掺杂黑磷场效应晶体管的I_sd-V_sd曲线；

(f).掺杂前和掺杂后的黑磷场效应晶体管的I_sd-V_g曲线。

图2：黑磷场效应晶体管的温度特性和环境稳定性

(a).Si_xN_y掺杂黑磷场效应晶体管不同温度下的传输特性曲线，V_sd=100mV；

(b).Si_xN_y掺杂黑磷场效应晶体管暴露在空气中一个月，其不同阶段下的传输特性曲线，测试条件为：室温、V_sd=100mV；

(c).掺杂前于掺杂后黑磷的电子空穴迁移率与温度的关系曲线；

(d).掺杂后黑磷器件的电子和空穴迁移率随时间的变化关系曲线。

图3：黑磷PN型二极管的性能表征

(a).黑磷PN型二极管的光学图像；

(b).黑磷场效应晶体管和黑磷PN型二极管的I_sd-V_sd曲线；

(c).黑磷PN型二极管在不同栅极电压下的I_sd-V_sd曲线；

(d).黑磷PN型二极管的整流比与栅极电压的关系曲线。

图4：黑磷逻辑反相器的示意图和性能表征

(a).基于单层黑磷薄片的原始P型黑磷沟道和掺杂N型黑磷沟道构建成的黑磷逻辑反相器的示意图；

(b).不同外加偏压下，输出电压与输入电压的关系曲线，插图为增益；

(c).100Hz频率下，器件输出电压与输入电压关系曲线；

(d).1000Hz频率下，器件输出电压与输入电压关系曲线；

【小结】

研究者们利用无挥发性、COMS兼容和稳定性好的Si_xN_y成功对黑磷进行N性掺杂，电子迁移率高达176cm²V^-1s^-1。并且巧妙的设计出了黑磷平面PN型二极管和黑磷逻辑反相器。该策略也为其他二维材料的掺杂提供了一条可行性的方案。

文献链接：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 )

本文由材料人电子电工学术组刘于金供稿，材料牛整理编辑。

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