Small Methods:二维材料的可控掺杂技术——晶圆级单层二硫化钼的原位氧取代掺杂

以二硫化钼为代表的二维半导体材料是后摩尔时代极具发展前景的新兴电子材料,有望在光电器件、信息器件、柔性电子等领域实现应用。对于半导体来说,“界面就是器件”,表面修饰与取代掺杂是调控二维半导体材料本征物性的有效手段。由于受到材料制备技术与表面修饰手段兼容性的限制,目前关于二维材料表面修饰与取代掺杂的研究基本都是基于机械剥离的二维材料进行的原理性论证实验,且主要集中在等离子体处理、热退火处理、表面改性、激光辐照、自然氧化等等,这些后处理的方法往往会对二维材料的表面造成破坏,产生大量的缺陷,进而限制其在电子器件领域的实际应用。因此,如何结合材料生长的化学气相沉积技术,发展简单、稳定、有效、可控的原位表面修饰技术,实现对二维半导体材料本征物理性质的有效调制,构建和设计新型二维材料结构,提高材料的电输运性质,并发掘更多新颖的性质,仍是二维半导体材料走向实际应用前亟待解决的关键问题之一。

近期,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件重点实验室张广宇研究员课题组发展了一种晶圆级单层二硫化钼的原位氧取代掺杂的方法。他们在前期制备单层氧硫化钼三角单晶的基础上(Small 16, 2004276(2020), Front Cover),利用改进的化学气相沉积方法,实现了两英寸晶圆级单层二硫化钼的掺杂,制备出了均匀的单层氧硫化钼薄膜。氧硫化钼中的氧掺杂浓度精确可控,其大小随着生长过程中通入腔体的氧气流量的增加而升高,掺杂浓度可以达到25.7%。超快红外光谱测试与第一性原理计算均表明,单层氧硫化钼的带隙随着掺杂浓度的升高而减小,与本征二硫化钼的带隙(2.25 eV)相比,氧硫化钼的带隙低至1.72 eV,因此氧硫化钼薄膜具有更高的导电性,并且其能带结构由直接带隙转变为间接带隙。此外,基于单层氧硫化钼薄膜的场效应晶体管与逻辑器件,均展示出优异的电学性能,尤其是场效应迁移率得到了提高,其平均值能够达到78 cm2V-1s-1

晶圆级单层二硫化钼的氧掺杂为高性能电子学器件提供了材料基础,并且该方法对于各种其他的过渡金属硫属化物具有良好的普适性,为大面积掺杂二维材料的制备提供了一种简单、高效、可控、且低成本的新途径。该工作由中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件重点实验室的博士生魏争和汤建,在张广宇研究员和杨蓉副研究员的指导下共同完成,相关成果被选为当期Inside Back Cover。

该研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项和中国科学院青年创新促进会的资助。

论文信息:

Wafer-Scale Oxygen-Doped MoS2 Monolayer

Zheng Wei, Jian Tang, Xuanyi Li, Zhen Chi, Yu Wang, Qinqin Wang, Bo Han, Na Li, Biying Huang, Jiawei Li, Hua Yu, Jiahao Yuan, Hailong Chen, Jiatao Sun, Lan Chen, Kehui Wu, Peng Gao, Congli He, Wei Yang, Dongxia Shi, Rong Yang*, Guangyu Zhang*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202100091

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202100091