黑磷是黑色有金屬光澤的晶體,它是用白磷在很高壓強和較高溫度下轉化而形成的。黑磷是一種新型層狀結構的直接帶隙二維半導體材料,隨著層數的減少,其帶隙由塊體的0.3eV逐漸增大至單層的1.5eV,在此過程中黑磷始終保持直接帶隙的特性。這一帶隙范圍覆蓋了光譜中從可見光到中紅外光的波段,在遠程通訊、傳感器、太陽能電池等領域具有廣闊的應用前景。
另外,少層黑磷場效應晶體管表現出了優異的電流開關比性能(~105),其空穴遷移率在室溫達到了1000cm2/Vs,顯示了其在邏輯、開關器件應用領域的巨大潛力。然而,本征的黑磷是一種P型半導體材料,如果要實現黑磷材料的邏輯器件應用,就需要有效調控其導電類型,獲得互補N型場效應器件。在傳統半導體領域中,調控導電類型可以通過替代原子的方式來完成,而在二維材料中,由于其單層、少層的特性,穩定的面內鍵合,表面缺少懸掛鍵等,通過代位原子的方式來調控導電類型的目的極難實現。另外,黑磷在空氣中極不穩定,也為器件制作工藝帶來了巨大挑戰。
針對黑磷的不穩定性、調控導電類型的極具挑戰性,中科院高鴻鈞研究組王國才等與所美國Vanderbilt大學教授SokratesT.Pantelides等人合作,在實驗上首次發現了過曝PMMA覆蓋層對黑磷的保護及調控導電類型的作用,實現了黑磷的P型(空穴型)及N型(電子型)分立場效應單元器件,進而將它們集成在一起,構筑了基于黑磷的柵調制二極管、雙向整流器與邏輯反相器等一系列平面邏輯器件。
圖1.(a)覆蓋過曝PMMA的黑磷器件與單純黑磷器件串聯結構示意圖。(b)相應器件光學顯微鏡圖片。(c)圖(b)中所示電極的對應器件的轉移特性曲線。
如圖1所示,當過曝PMMA覆蓋黑磷場效應晶體管的一部分溝道時,轉移特性曲線表明未覆蓋部分為空穴主導的導電類型(P型),而覆蓋的部分為電子主導的導電類型(N型),證實了過曝PMMA覆蓋層對黑磷的摻雜作用,進而通過調控電子束曝光劑量實現了對黑磷導電類型的調控。隨后,將P型、N型黑磷晶體管集成在一起構成了黑磷二極管,器件的輸出曲線證實了其整流功能,整流比大于100且隨著柵壓變化而變化。另外,在零偏壓時,器件的關斷電流在pA/μm的量級,顯示了該柵控二極管的低功耗特性(圖2)。
圖2.(a)黑磷柵控二極管的光學顯微鏡圖片。(b)器件的轉移特性曲線。(c)線性坐標系下,在不同背柵電壓調控下的輸出特性曲線,清晰地顯示了其整流作用。(d)對數坐標系下,在不同背柵電壓調控下的輸出特性曲線。
以上結果表明用過曝PMMA覆蓋黑磷器件的不同部分時可以實現黑磷電子導電型晶體管(全覆蓋)和柵控二極管(部分覆蓋)。而將過曝PMMA條帶結構放置在黑磷場效應晶體管導電溝道中,零柵壓時器件的輸出特性也顯示了整流特性,當改變所加偏壓的方向時,該器件顯示了幾乎相同的整流特性,證實了該器件具有雙向整流的特性(圖3)。這種雙向整流特性是由于過曝PMMA覆蓋的黑磷部分是電子導電為主,而未覆蓋的部分是空穴導電為主,從而在它們接觸的地方形成了能量勢壘,只有能量大于該勢壘的載流子才可以越過勢壘,而該器件采用了對稱結構,所以可以實現雙向整流的特性。
圖3.(a)黑磷雙向整流器的光學顯微鏡圖片。(b)零柵極電壓下,器件的輸出特性曲線(紅色:對數坐標;藍色:線性坐標)。(c)器件在不同偏壓方向時的輸出特性曲線。(d)線性坐標系下,在不同背柵電壓調控下的輸出特性曲線(插圖為相應曲線在對數坐標系下的情形)。
邏輯反相器是實現電路邏輯功能的單元器件,而實現邏輯反相器的關鍵在于P型、N型分立場效應器件以及對其導電特性的控制。如圖4所示,將P型和N型黑磷場效應晶體管集成在一起即可構成黑磷邏輯反相器,器件的輸出特性證實了其邏輯反相功能,電流增益達到了0.75。理想邏輯反相器的電流增益是無窮大,這一器件電流增益不大主要是由于背柵同時對P型和N型黑磷場效應晶體管進行調控,無法達到一個完全匹配的狀態,如要進一步提高其電流增益,需要使用分立柵極對N型、P型黑磷場效應晶體管的導電特性進行分立操作控制。另外,使用高k介質也是一個可行的選擇。
圖4.(a)黑磷邏輯反相器的器件示意圖。(b)器件的光學顯微鏡圖片。(c)器件中分立n-和p-型場效應晶體管的轉移特性曲線。(d)邏輯反相器的輸出信號及增益與輸入信號間的變化曲線。
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