华中科技大学Nat. Commun.:通过局部铁电极化实现可重构的二维光电器件


【引言】

原子级厚度的二维(2D)半导体由于量子限域效应而具有特殊的光电特性,极薄的厚度也使它们的性质极易受到外部环境、电场条件等的调制,因而在各种功能电子器件方面受到了广泛的关注。通过高κ介质材料、离子液体或凝胶以及铁电(FE)极化等进行调制,二维半导体可从半导体调节到金属态或绝缘体,应用于诸如晶体管、逻辑反相器、存储器、发光二极管和光电探测器等具有不同结构和功能的器件中。基于二维材料的的可调制特性,发展可重构的电子器件使其满足不同的应用场景需求,有着诱人的前景。铁电材料具有可重复翻转的剩余极化,将其与二维半导体耦合可对二维半导体形成可擦写的非易失调制。为此,近年来,铁电材料与二维材料形成的复合功能器件受到了越来越多的关注。

根据铁电材料的剩余极化强度(10-100 μC/cm2),理论上可实现对二维材料高达1013cm-2的电子或空穴掺杂。然而,此前研究中基于铁电剩余极化对二维半导体的调控程度仍然非常有限,尚未实现对2D材料可控的电子(n型)和空穴(p型)掺杂,而这则是多种光电子器件优化构筑必不可少的条件。

【成果简介】

近日,华中科技大学翟天佑教授诸葛福伟副教授报道了基于铁电极化图案定制的二硫化钼(MoS2)光电子器件研究,利用极化产生的局部电子和空穴掺杂实现了pn结型光电二极管和npn结型双极型光电晶体管,分别用于自驱动式或高灵敏式、快速响应光电探测。研究发现,面内pn二极管可自发分离约12%的光生电子和空穴,进行自驱动式探测。而当重新极化为双极型光电晶体管时,器件可获得约1000倍的增益,使其响应度达到12 A W-1,获得超过1013琼斯探测度的同时保持20 μs内的快响应速度。该成果以题为"Reconfigurable two-dimensional optoelectronic devices enabled by local ferroelectric polarization"近期发表在国际著名期刊Nature Communications上。

【图文导读】

图1 基于铁电极化实现MoS2的p、n型掺杂转变

(a) 以AFM针尖作为极化电极对铁电共聚物耦合的MoS2器件进行极化;

(b) 铁电共聚物中的P↑极化与MoS2内载流子间的耦合使其界面附近累积空穴;

(c) MoS2转移到预制的10nm Cr/Au源漏电极后的AFM图像,从而制作底电极接触的器件;

(d) 在底电极接触和顶电极接触下,改变极化电压(Vp)时MoS2电导的变化回滞。

图2 不同铁电极化状态下电子(n)和空穴(p)掺杂下MoS2的场效应特性

(a) 恒定源漏偏压Vds = 1 V下Si背栅调制的MoS2转移特性曲线,说明MoS2在P↑极化下由初始n型转变为p型半导体;

(b) 从场效应测试中提取的电子和空穴迁移率。

图3 基于局域铁电极化图案调制的MoS2 pn结及其光电特性

(a) 基于AFM针尖实现铁电极化图案的原理示意图;

(b) 在器件区域内构筑的铁电极化图案在压电力显微镜(PFM)下的相位图;

(c) 不同极化图案下(整体p型和n型掺杂、pn结型掺杂)MoS2沟道的I-V特性;

(d) 532 nm激光照射下MoS2 pn结的I-V特性;

(e) 原始MoS2光电导器件的慢响应与pn结型探测器的自驱动式响应对比;

(f) pn结型探测器内自驱动光电流的空间分布,显示光电流主要来自沟道中心的pn结区域。

图4 基于铁电极化图案实现的MoS2双极型光电晶体管

(a) 基于铁电极化图案制备npn双极型光电晶体管的原理示意图;

(b)器件中实现npn光电晶体管所用的极化图案的压电力显微镜相位图;

(c) npn光电晶体管在偏压下的能带示意图;

(d) npn光电晶体管工作时的等效电路图。

图5 MoS2双极型光电晶体管的光电探测性能表现

(a)不同激光照射强度下,MoS2 npn晶体管的光响应特性;

(b) 固定集电极-发射极偏压VCE = 1 V条件下,使用Si背栅测量的转移曲线;

(c)不同光照强度下器件的响应度和阈值电压偏移ΔVth

(d) VCE = 0和1 V条件下npn双极光电晶体管中光电流的空间分布图;

(e)光电流在器件内的横向分布与器件的极化图案(PFM相位图)对比;

(f) 文中实现的不同类型MoS2光电器件的光电探测性能及与文献中同类型器件的对比。

图6 基于铁电极化构建的MoS2 三端npn双极晶体管及其输出放大特性

(a) 构筑三端子双极晶体管所使用的铁电极化图案的PFM相位图;

(b) 三端式双极晶体管内集电极电流IC的电流贡献示意图;

(c) 改变基极输入电压VBE时测量的三端子双极晶体管的输出特性;

(d) 不同VBE输入下器件中的集电极电流IC和基极电流IB,集电极电流相对于输入基极电流可获得大约3000倍的放大,证实该类双极晶体管较高的放大增益。

【小结】

本文中,作者通过使用底电极接触构型实现了基于铁电极化可控调节的MoS2电子和空穴掺杂,展示了利用铁电极化可擦写特性定制的不同类型的光电探测器件。通过将MoS2器件极化为pn二极管和npn双极晶体管的同质结,器件可定制成无需持续外部栅压调制的具有优异自驱动探测或高增益、快速响应式光电探测器。此外,作者还指出,鉴于二维半导体以及范德华异质结的蓬勃发展,基于局域化的铁电极化来定制高性能光电子器件研究仍有巨大的提升空间。未来,利用预制顶栅电极图案或使用柔性电子印记方法制备阵列式光电子器件大有发展潜力。

文献链接:Reconfigurable two-dimensional optoelectronic devices enabled by local ferroelectric polarization (Nat. Commun., 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-11328-0)

【团队介绍】

翟天佑,华中科技大学二级教授,材料成形与模具技术国家重点实验室副主任,国家杰出青年基金获得者,万人计划科技创新领军人才,科技部中青年科技创新领军人才,全球高被引科学家,英国皇家化学会会士,国家优秀青年基金获得者,中组部青年千人计划入选者,湖北省创新群体负责人,曾获国家自然科学二等奖,中国化学会青年化学奖和湖北青年五四奖章。2003年本科毕业于郑州大学化学系,2008年博士毕业于中国科学院化学研究所,师从姚建年院士。2008-2012年在日本物质材料研究机构先后任JSPS博士后(合作导师Yoshio Bando教授)和ICYS研究员。主要从事二维材料与光电器件方面的研究,以第一或通讯作者身份在Chem. Soc. Rev. (3), Prog. Mater. Sci. (2), Adv. Mater. (20), Angew. Chem. Int. Ed. (3), JACS (2), Nat. Commun. (2), Adv. Funct. Mater. (24), ACS Nano (5)等期刊上发表论文172篇(87篇IF>10,141篇IF>5),所有论文SCI期刊引用12700余次,H因子58。主持编纂英文专著1本,受邀撰写两本专著中的5章;申请中国和日本专利15项,授权6项;先后担任Science Bulletin和 Frontiers in Chemistry副主编,《科学通报》、《无机材料学报》、《无机化学学报》编委。担任中国化学会青年化学工作委员会委员,中国材料研究学会青年委员会理事和纳米材料与器件分会理事,中国电子学会半导体科技青年专委会委员等。

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