极性可调的新型二维半导体异质结

             37 二维原子晶体,包括石墨烯和过渡金属硫族化物(TMDs)例如MoS2、WS2和WSe2等已经被证明具有独特优良的光电性能,因此获得了研究者的广泛关注。与此同时,由不同原子晶体组装而成的范德瓦尔斯异质结也可以构成新的材料体系,它们结合了单独材料组分的优点,并为新奇物理现象和器件功能的研究提供了灵活而广阔的平台。其中,基于二维TMDs (MX2)的异质结由于具有较宽范围的光学带隙和强烈的光-物质相互作用,在未来光电子器件领域有重要的应用前景。理论上,MX2异质结往往具有II型带阶排列,这会促进电子空穴对的有效分离。实验上,原子层厚的MX2异质结也可以表现出超快电荷转移和可调控的层间耦合作用。

          最近,中国科学院半导体研究所李京波研究员和魏钟鸣研究员领导的团队,与美国再生能源国家实验室魏苏淮小组合作,发现基于WSe2/WS2 的二维半导体异质结表现出独特的极性可调现象和自驱动光开关特性。他们采用转移的方法制备了由P型WSe2和N型WS2 薄层结构组成的范德瓦尔斯异质结,并详细研究了它们的光学和电输运性能。在WSe2/WS2 P-N异质结晶体管中观察到了明显的整流效应和双极性行为,整流比达到100,电子和空穴的场效应开关比均高达1000。由于异质结系统中表面和界面处的电荷陷阱,它还表现出了具有较大记忆窗口(栅压在正向扫描和反向扫描所产生的最大电压偏移)的迟滞现象。有意思的是,这种异质结能够在外加偏压的调制下而发生极性行为的转化,从N型或P型到双极型或反-双极型。这是因为异质结中的结效应、P沟道WSe2和N沟道WS2依次交替的控制着整个系统的电输运性质。同时由于内建势和II型带阶的存在,该异质结还展现出了良好的光伏特性和大幅度提高的自驱动光开关特性。在零偏压下,光电流依然能够在入射光源的开关下而重复的产生,响应时间小于20 ms,光开关比可达400,展现出高效的电子空穴分离和高质量的自驱动光开关性能。这些新奇的物理现象和器件功能表明WSe2/WS2 等二维异质结在未来的纳米电子器件和光电子器件,包括场效应管、探测器、光开关、关电池和存储器等领域中具有广阔的应用价值。相关论文在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201501206)