摻雜p-n結是現代電子學和光電子學中的基本電子元件。隨著器件微型化的發展，二維材料以其獨特的結構和物理特性，可能會邁向後摩爾時代的下一個技術飛躍。製造二維p-n結的目的開發了許多載流子型調製方法，如靜電摻雜、表面修飾和元素插入等。
近日，來子南京大學和中國科學院上海技術物理研究所一項共同研究表明，利用反方向極化的非揮發性鐵電場，證明了在雙極性碲化鉬(MoTe2)中有效的載流子調製可以在疇壁形成p-n同質結。相關論文以題為「MoTe2p–n Homojunctions Defined by FerroelectricPolarization」於2月27日發表在「Advanced Materials」上。
論文連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907937
自從近80年前偶然發現p-n結以來，已成為現代半導體工業中不可或缺的元件，從而彌合了電子與光學之間的鴻溝。傳統的p-n結大多基於塊狀半導體，如Si和Ge，在兩個不同的區域摻雜III或V價元素。近年來，二維(2D)材料在可穿戴、可彎曲、透明等新型應用概念上，在複製傳統Si基p-n結方面表現出了巨大的潛力。二維材料具有層內共價鍵和層間範德華相互作用的特點，不存在表面懸空鍵，與當前互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術兼容。相關的方法通常涉及垂直疊加異質結和在同質結中橫向操縱載流子，如厚度調製、元素摻雜和表面修飾等。為了實現低功耗，鐵電材料被認為是摻雜2D材料的潛在替代品，其自發極化方向可以通過外部刺激局部切換。
在本研究中，研究者提出了由非揮發性P(VDF-TrFE)鐵電疇定義的碲化鉬(MoTe2) p-n結。通過與極性相反的P(VDF-TrFE)共聚物偶聯，電子或空穴聚集在雙極性MoTe2通道的相應區域，用於屏蔽鐵電場。
因此，在鐵電疇壁上形成了一個p-n同質結。MoTe2p-n結在各種電子和光電子應用中表現出優異的性能，如電流整流二極體、光伏器件和短波紅外(SWIR)光電探測器。二極體具有很強的整流特性，整流係數超過105。作為一個光電探測器，設備表現出高的光響應率為5 A W-1，高的EQE為40%，快速響應時間為30 s，3×1012Jones對可見光(520 nm)無偏置或柵極電壓的高比靈敏度，這意味著低功耗。在室溫下，響應範圍可擴展到SWIR (1400 nm)，從而彌補了傳統Si和紅外光電探測器的不足。p-n結還可以作為高功率轉換效率達到2.5%的光伏器件。
圖1 鐵電疇定義的MoTe2p-n結；
圖2 鐵電域控制MoTe2p-n結；
圖3 MoTe2p-n結的電學性質；
圖4 在520nm波長下MoTe2p-n結的光響應；
圖5 MoTe2p-n二極體的紅外光響應及與其他方法設計的二維材料橫向p-n同質結的比較。
作為一種基本架構，鐵電場調諧器件的配置對於其他二維雙極性半導體如WSe2同樣是通用的。這種方法為製造先進的二維p-n結並優化其性能以實現下一代量子電子和光電子器件提供了機會。（文：水生）
本文來自微信公眾號「材料科學與工程」。歡迎公眾號合作轉載，未經許可謝絕轉發至其他平臺。