Advanced Electronic Materials:本征极化诱导二维范德华异质结的能带转变和非易失性p-n结

背景介绍

由原子薄层二维层状半导体堆叠形成的范德华异质结因其独特的原子结构和优异的物理特性在发展高性能、多功能、高集成密度的新型光电子器件展现出巨大的潜力。掺杂调控异质结的电荷载流子浓度和极性(p型或n型)是实现其器件应用的关键步骤。传统的掺杂方式大多借助于离子注入或热扩散方法将外部杂质引入到半导体晶格中,通过电离杂质形成自由电子或者空穴。由于超薄的原子结构和受限的物理空间,通过传统替位掺杂方式实现二维半导体的p型和n型掺杂容易引起二维半导体的晶格畸变和结构无序,从而影响了器件的整体性能。因此,理想的掺杂方式是在不牺牲二维半导体本征属性的基础上能够对其掺杂极性和载流子浓度进行调控。

文章概述

近日,中国计量大学舒海波教授课题组提出利用二维极化半导体局域的自发极化场去调控二维范德华异质结的能带结构和掺杂极性。极化场调控方法的提出源于:(1) 二维极化材料的能带受量子限制Stark效应的影响随极化方向发生倾斜,从而潜在地与接触二维半导体呈现出6种可能的带阶类型;通过翻转极化,可以实现36种可能带阶转变路径;(2) 二维半导体材料(如过渡金属硫族化合物、黑磷)较低的静电屏蔽特性,这使得这些材料的电子性质对外场和局域场的作用极其敏感。基于该研究思路,作者分别在二维MoTe2/In2Se3和MoSe2/GaN范德华异质结上实现了具有高载流子浓度(1013~1014 cm-2)、无掺杂、非易失性p-n结,并且这些p-n结的掺杂极性和载流子分布能够通过极化场翻转来调控。该研究为二维范德华异质结的掺杂和能带调控提供了新的思路。

文章的第一作者为中国计量大学的研究生杨明君,舒海波教授为该文章的通讯作者。

图文导读

图1 二维极化半导体的晶体结构、本征极化与极化电荷
图2 本征极化对二维极化半导体能带结构的影响
图3二维半导体材料的能带排列及其范德华异质结的带阶类型与极化方向的关系
图4不同极化方向下二维MoSe2/GaN范德华异质结的原子结构与投影能带结构
图5 二维范德华异质结在两种极化方向下的载流子分布示意图及其载流子浓度随温度变化的关系。

论文信息:

Polarization-Induced Band-Alignment Transition and Nonvolatile p-n Junctions in 2D Van der Waals Heterostructures

Mingjun Yang, Haibo Shu*, Yanyan Li, Dan Cao, Xiaoshuang Chen

Advanced Electronic Materials

DOI: 10.1002/aelm.202101022

原文链接:https://doi.org/10.1002/aelm.202101022

Advanced Electronic Materials介绍

Advanced Electronic Materials期刊刊文领域涉及电子及磁性材料,具体包括电、磁材料的物理性质、电子自旋器件、电子器件、器件物理及工程、纳微机电系统、有机电子元件等。最新影响因子为7.295。