Advanced Materials:非易失铁电极化——构建低维半导体结型器件的新方法

约八十年前被发现以来,p-n结已发展成为现代半导体器件的重要组成部分,传统p-n结大部分是基于元素掺杂的体材料来实现。近年来,二维材料由于其独特结构和物理特性,其层间依靠范德瓦尔斯力结合,层内通过共价键结合,且表面无悬挂键,与CMOS技术相兼容,已在新原理新功能器件等领域展现出了其潜能与价值。基于二维材料p-n结发展多功能器件的研究已广泛开展,它可以应用于光电探测器、光伏器件、发光二极管、存储器等等。构建二维材料p-n结的方法也多种多样,但非易失的、可逆的掺杂方法仍值得深入探索。

针对上述问题,中国科学院上海技术物理研究所研究团队与合作者利用非易失性的铁电极化场掺杂二维材料,制备了面内p-n结,该p-n结具有整流比大、漏电流小的特点,可用于高灵敏光电探测及光伏器件。相关结果发表在Advanced Materials, 2020, 32(16): 1907937 (DOI:10.1002/adma.201907937)。

该研究团队构建了裂栅结构器件,通过在两近邻的栅电极上施加极性相反的脉冲电压,使铁电薄膜分别极化向上和向下,方向相反的铁电极化场将同一块低维半导体材料调控成p型和n型半导体,从而在铁电畴壁的位置定义了平面p-n结。器件的功能可通过在栅电极施加不同的电压脉冲进行重新配置,从而形成n-p结、p-p结、n-n结,还可以再回到初始的p-n结,具有可逆操作的特性。其中,p-n结和n-p结作为整流二极管时表现出优异的电学性能,其电流开关比达到5×105,漏电流仅有pA量级。除了非易失、可重新配置、可逆操作等特点之外,此类p-n结还具有良好的疲劳特性和保持特性。用于光电探测器时,无需偏压,器件对可见光响应的外量子效率为40%,响应速度达到30 μs,且探测波长可延伸到短红外波段(1350 nm);用于光伏器件时,其光电转化效率为2.5%。利用非易失性铁电极化场实现对双极性低维半导体载流子类型的精准调控,进而构建平面结型器件的方法具有普适性,有望在未来光信息技术领域发挥作用。