导读

近日，武汉大学肖湘衡教授团队提出了一种基于超低能离子注入选区掺杂构建二维横向p-n同质结的方法。通过精确调控注入离子的剂量，成功实现了对WS₂导电类型的调控，使其从n型转变为双极型甚至p型，且论证了该方法的普适性。此外，基于WS₂横向p-n同质结的光电探测器表现出良好的自驱动光探测能力。该成果为二维半导体的可控掺杂提供了一种有效的途径。该成果以“Spatially Selective p-type Doping for Constructing Lateral WS₂ p-n Homojunction via Low-energy Nitrogen Ion Implantation”为题发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》。

研究背景

硅基晶体管特征尺寸不断迫近理论极限的现状对半导体的“原子级制造”提出了更高的要求。“原子级制造”的基本理念在于对物质进行原子级精度的加工和操纵，这将极大的降低芯片功耗，同时获得芯片算力的巨大提升。二维金属硫族化合物（MDs）因其原子级薄的厚度、宽的可调带隙和强的光与物质相互作用，在下一代光电器件领域中展现出独特优势，有望解决传统硅基半导体器件中面临的挑战。p-n结是当下信息时代光电子器件的基本单元。目前基于二维半导体p-n结的研究多是基于范德华接触的垂直结构，该结构制备方法简单无需考虑晶格失配问题。但是垂直堆叠界面间存在的范德华间隙会降低载流子迁移率；堆叠过程中不可避免会引入杂质导致界面态的产生，影响载流子输运。二维横向p-n结可以有效地解决这些问题。因此，如何实现高质量二维横向p-n结的构筑对于二维半导体走向实际应用至关重要，是面向下一代集成电路和量子科学领域新器件设计的必经之路。离子注入技术是传统半导体工业中构建p-n结的一种成熟的掺杂方法，具有掺杂浓度和深度可控、掺杂元素种类丰富、掺杂面积均匀、掺杂过程无污染等优点。然而，传统的离子注入技术由于入射离子能量较高（几十keV），会在注入过程中损坏甚至穿透原子级薄的二维材料，导致器件失效，因此很难直接用于掺杂二维半导体。

创新研究

为了克服以上挑战，该项工作中作者团队搭建了一套超低能离子注入系统用于构建基于二维材料的横向p-n同质结。超低能离子注入技术继承了传统离子注入技术优点的同时能够实现超低的离子能量和超浅的注入深度，且不会导致高密度的缺陷，有望解决传统离子注入技术无法直接应用于调控二维半导体性能的问题。然而，目前行业对超低能离子注入的研究主要集中在微观表征、缺陷调制等领域，缺乏利用超低能离子注入技术在二维半导体上实现图案化掺杂以及构建横向p-n同质结的研究。

图1、超低能氮离子注入构建WS₂横向p-n同质结的示意图

作者利用超低能离子注入技术直接向少层WS₂中注入氮离子，通过调控低能氮离子的注入剂量实现了对WS₂导电类型的精确调控。随着注入剂量的增大，WS₂的导电类型能够从n型转变为双极型甚至完全反转为p型。在1×1014 ions cm^-2的注入剂量下，N-WS₂ FET的开关比可达3.9×10^-6，并且在放置3个月后器件性能未发生明显衰退，证明了该掺杂方法的稳定性。此外，作者还将超低能氮离子注入的掺杂方法应用于其他典型的n型二维MDs材料（WSe₂、MoS₂、SnS₂），并成功使它们的导电类型由n型转变为p型，证明了该方法的普适性。

图2、 WS₂横向p-n同质结的KPFM和电学性能测试结果

通过将超低能离子注入技术与光刻技术相结合，该工作实现了二维半导体的图案化掺杂，成功制备了基于WS₂的横向p-n同质结。开尔文探针力显微镜表征显示结区存在着明显的表面电势差，证明了利用该方法进行选区掺杂构建横向 p-n同质结的可行性。该p-n结在光照条件下表现出明显的光伏效应，并对不同波段的入射光均展现出良好的自驱动光探测能力。在1.7 mW cm^-2的532 nm激光照射条件下，基于该p-n结自驱动光电探测器的开路电压可达0.39 V，响应度和探测率约为35 mA W^-1和9.8×10¹⁰ Jones。

图3、基于WS₂横向p-n同质结光电探测器的光电性能测试结果

应用与展望

该工作提出了一种利用超低能离子注入构建二维横向p-n同质结的方法，该方法具有良好的稳定性、可重复性以及普适性。此外，基于WS₂横向p-n同质结的光电探测器表现出良好的自驱动光探测能力。这种与传统集成电路工艺兼容的掺杂方法在二维半导体器件性能调控中表现出巨大的应用潜力，为推动二维半导体走向实际应用提供了一种可靠的策略。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01477-3