Small Methods: 双极性二维半导体及其器件应用最新综述

新材料、新物性的探索发现推动着电子光电子器件朝着更大规模、更高性能以及更加多元化的方向不断发展。以石墨烯、黑磷、TMD、氮化硼等为代表的二维晶体,由于其具有优异的物理性能、原子级的界面平坦度、纳米级的超薄结构等特点,被广泛用于构建新型微纳电子光电子器件,是后摩尔时代新型信息材料的重要选择之一。

在众多二维晶体中,双极性二维半导体近年来受到了广泛关注。有别于传统半导体的主要载流子类型(电子或空穴)通过元素掺杂产生,双极性二维半导体具有优异的栅控特性,其主要载流子可以通过电场在N型和P型之间动态、快速和可逆转变。因此,基于双极性二维半导体设计制备的新型器件具有优异的可重构性能,这为有效减少晶体管数量和降低结构、工艺复杂度,并最大程度丰富器件的功能提供了新的思路。

近日,复旦大学微电子学院专用集成电路与系统国家重点实验室周鹏教授、张卫教授和张增星教授以“Ambipolar 2D Semiconductors and Emerging Device Applications”为题在Small Methods上发表综述文章(DOI: 10.1002/smtd.202000837),博士研究生胡文楠和盛喆为文章共同第一作者。该文章首先系统论述了双极性二维半导体基本物性、材料制备方法和面向双极性载流子调控的电极接触工程,分析了二维晶体在半导体双极性调控中的优势和实现途径;之后,文章分类回顾了目前所发现的双极性二维半导体,概述了主要双极性二维半导体的独特物理性能和制备方法;在此基础上,系统综述了双极性二维半导体在新兴电子光电子器件中的应用。双极性二维半导体极大丰富了传统PN结的功能,在新型图像传感器等光电子器件方面极具潜力。双极性二维半导体通过半导体工程、电极接触工程和电路结构工程实现类CMOS功能,表现出较传统硅基CMOS更加丰富的特点,在减少晶体管数量、增强电子电路综合性能方面具有重要价值。最后,文章探讨了双极性二维半导体在新兴电子光电器件应用中所面临的主要挑战,并对其在磁电子器件、自旋电子器件、神经器件和传感器等新型器件方面的拓展应用进行了展望。