Small:激光可写多功能范德瓦尔斯异质结

基于二维材料的范德瓦尔斯异质结电子器件因其独特的性能得到了广泛的研究,如整流器,三极管,逻辑逆变器和存储器等,在未来的纳米电子学领域中显示出巨大的潜力。然而,大多数已报道的研究只能在同一异质结构上实现单一功能。虽然目前有多种途径可实现多功能器件,包括设计复杂的器件结构和静电调控,然而这些方法通常耗时、昂贵且缺乏通用性。此外,通过化学气体选择性刻蚀也可制备集成的二维材料范德瓦尔斯异质结器件。但是,这种化学蚀刻的方法往往带有毒性且工艺复杂。激光诱导掺杂提供了另一种制造多功能二维电子器件的方法。Seo等人利用激光辐照实现了基于二碲化钼(MoTe2)的二维材料集成电路。然而,这种方法并不适用于其他二维半导体,如二硫化钼(MoS2)和二硒化钼(MoSe2),限制了其应用范围。因此,需要一种简单、低成本且通用的方法在单一结构上实现多功能纳米电子器件以便二维材料异质结构的集成化发展。

三极管是现代电子器件的基本元器件,其主要功能是实现信号的放大,是我们日常电子产品中必不可少的元件,包括NPN和PNP两种类型。虽然已经有文献报道基于二维范德瓦尔斯异质结构的三极管表现优越的电流放大性能,然而这些结构通常涉及到复杂的制备工艺,限制了其进一步发展。此外,对于载流子浓度和基区宽度等重要参数对器件性能的影响,也尚未被研究报道。鉴于上述问题,南开大学物理科学学院刘智波、田建国教授团队利用一种便捷、快速且通用的激光直写微纳加工技术成功实现了多功能的范德瓦尔斯异质结器件。与化学刻蚀法相比,激光直写加工技术具有原位、环境友好、灵活且无掩膜的特点;同时相比于激光辐照的方法,该技术具有通用且直接的制备优势。在本项工作中,作者利用激光直写加工技术在同一预制备的黑磷/二硫化钼(BP/MoS2)异质结上同时实现了二极管、NPN型与PNP型三极管的器件功能。不仅三个二极管展示出典型的电学整流行为,同时两个三极管也表现出良好的电流放大输出性能,对于NPN型和PNP型,放大增益分别为41和12。此外,作者从器件结构以及激光直写加工的角度系统分析了两种类型三极管的性能差异。在相同激光直写加工宽度条件下,由于BP和MoS2的载流子浓度不同, 相比PNP型三极管,NPN型三极管会形成更窄的基区宽度,从而缩短了载流子的基区传输时间。此外,在NPN 型三极管中,较高的发射极载流子浓度和较低的基极载流子浓度不仅提高了载流子的注入效率,还降低了重组概率。因此,NPN型三极管表现出更好的放大性能。同时,三极管的放大增益可由激光直写可调的基区宽度进行有效调制。实验结果表明,电流增益会随基区宽度的增大而减小,这一点与理论结果也相吻合。作者还利用这种激光直写加工的方法实现了多功能的二硒化钨/二硫化钼(WSe2/MoS2)异质结器件,证明了这种方法的通用性。此项研究展示了一种新颖、经济且通用的多功能纳米电子器件的制备方法。作者相信,这种激光直写微纳加工的方法对于实现二维材料大规模集成电路也具有广阔的应用前景。相关论文在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.202003593)上。