Light: Science & Applications: 面向原子层器件的原生PN结

PN结是半导体器件，如太阳能电池、二极管、光电探测器等的最基本功能单元。它的制备工艺和策略很大程度上决定了器件的结构及其尺寸极限。如在传统架构下，由于内部不可避免的杂质扩散过程，PN结的尺寸难以缩放到10 nm以下。相应的，多数器件架构难以在物理极限尺度下得到应用（如：10 nm以下节点，晶体管放弃了平面型、PN结的结构，而采用三维立体、无结型的FinFet和全栅极架构）。

近期，中国科学院上海技术物理研究所，红外物理国家重点实验室的陆卫研究员，李天信研究员，胡伟达研究员（共同通讯作者），夏辉博士（第一作者）等，提出了一种全新的PN结结构，称为 “原生层状PN结”，有望突破传统PN结在制造上的尺寸限制，并有助于重新定义半导体器件的架构。

在这项研究中，作者利用扫描电容显微技术（SCM），对二维层状材料的载流子分布进行分析。研究表明，MoS₂、WSe₂、MoTe₂和BP等不同类型的二维层状材料，具有随着层数的增加，导电类型从n（p）型转变为p（n）型的特征。这种由结构调制导电类型的特点，使得以单层的精度构造PN结得以实现，从而使器件结构的物理尺寸缩小到5 nm以下，超越了现有技术的范围。层状PN结展现出了一系列优异的性能和新颖的功能。例如这种PN结表现出了极高的整流比（>10⁵）和非常低的截止电流（<1 pA）；层状PN结所构建的雪崩光探测器兼顾了高增益和高信噪比；层状同型结具备特有的栅控整流特性等。该研究的发现为开发新型纳米器件的应用开辟了新的道路。基于这种原生层状PN结，几何尺寸成为了调制电荷载流子分布和器件功能的唯一关键因素。

该研究成果（Pristine PN junction toward atomic layer devices）于2022年6月发表于Light: Science & Applications上。

文中对二维层状材料的载流子特性表征采用了Bruker  Multimode 型原子力显微镜（AFM）搭载SCM功能模块。SCM是一种基于微分电容探测，获得探针下方样品微区载流子浓度和极性信息的表征技术。该技术因为具有纳米级的空间分辨率和可获得直观的载流子面分布特性等优点，被应用在器件和材料的高分辨电学分析中。在本工作中，SCM对MoS₂层状材料的测试过程由图1a所描述。图1b中的SCM结果展示了MoS₂随着厚度的增加电子浓度逐渐降低的过程。从单层到3层然后是5层，相应的SCM（dC/dV）信号 从-160 mV下降到-100 mV，最后到-80 mV。这里，负信号表明层数较少的情况下，MoS₂是n型掺杂。

值得注意的是，MoS₂随着厚度的增加从n型半导体过渡到了p型。该过程可以在如图2的左上图及相应的轮廓线体现出来。3L段显示出典型的n型掺杂特性（负的dC/dV信号）。相比之下，24L、28L和32L区域都表现出了正的dC/dV响应，有了明显的p型掺杂特征。

作者进一步用SCM对同为TMD (transition-metal-dichalcogenides) 材料的WSe₂和MoTe₂进行了实验。实验表明：随着层厚的增加，WSe₂和MoTe₂也都显示出载流子极性的反转。但与MoS₂相比，它们的方向是相反的。具体来说，层数较少时是p型掺杂，而多层情况下则成为n型。这里重点看MoTe₂的掺杂类型（图2右上图）。1L是p型掺杂，而5L转变为了n型。这样的结构使得在~3.5 nm的范围内（5L厚度）形成了同质PN 结。

 在证明了TMD材料的自掺杂特性后，作者继续将研究扩展到材料黑磷（BP）。BP 遵循同样的规律：随着层厚的增加，电子导电转变为空穴导电。然而，这种状态并不能保持很久，电子导电在一定时间后会转变为空穴导电。而通过探针刮擦BP表面，可使其恢复为电子响应（见图2右下图）。

基于大量的实验，作者对MoS₂和WSe₂的一系列SCM结果总结如下：对MoS₂的厚度T来说，1L≤T≤19L时体现出明显的n型掺杂特征，而T≥24L时，则为完全转变为P型。相比较而言，WSe₂在厚度不超过26层时表现出的是p型掺杂特征，而从T=37L开始，呈现出的就是电子导电的特性了。

这种层厚依赖的载流子特性为电子和光电子器件的构造带来了新的思路。作者在一系列器件结构上做了测试和研究。如图3a，两种厚度（4L和28L）的MoS₂片形成同质PN结，从相应的IV测试（图3b）中可以分析得出，截止电流为~1pA，而整流比>10⁵，明显优于传统的二维材料PN结，可以媲美商用的Si二极管。

进一步，作者对这种原生层状PN结在光电子应用中的特性做了验证。图3b中的IV曲线（红线）是在520 nm波长，1 µW/µm²激光辐照下得到的。从图中分析得到，该结构用作太阳能电池，其开路电压可以达到0.74 V，这在二维材料中是创纪录的高值（没有任何栅极电压）；功率转换效率达到0.35%，与二维结构中报道的最佳值相当。而如果MoS₂层状结用作雪崩光探测器的话，计算得到倍增因子（图3d）达到1.2×10³ @ −20 V，不亚于传统结构。有意思的是，这种层状PN结雪崩光探测器展示出了十分优异的信噪比。从图3d中的测试结果可以看到，这种新的结构下，暗电流在不同电压下包括雪崩击穿后，始终比光电流小至少一个数量级，该特性使得器件可以在高增益下达到高信噪比。

本工作采用SCM技术，对一系列二维层状材料进行载流子特性分析。基于这些特性构造的原生层状PN结，展现出了优异的性能和新颖的功能。该研究结果有助于重新定义半导体器件的架构。在层状材料中，每一个单层台阶都会改变本征的载流子浓度，从而形成原子级陡峭的电导边界。它使器件结构的物理尺寸缩小到5 nm以下。同时，这种层状材料大大简化了制造过程。传统器件的制造必须同时考虑几何形态和掺杂分布，以实现器件功能。而对于层状材料来说，只需要设计和构造几何形态，即可由材料获得相应的载流子分布。

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原文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-022-00814-8

Multimode 8-HR 原子力显微镜简介：

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