利用非易失性的铁电极化场对低维半导体材料的精准掺杂的新方法

现代微芯片和传感器件是支撑现今信息社会的重要载体。随着技术及工艺进步，对材料物性及器件结构提出了更高要求。近年来，新型低维材料出现，其独特结构和奇异物性备受关注，已在电子和光电子器件等领域显现出其潜在的价值。通过元素掺杂来调控半导体材料载流子类型及浓度是构建半导体功能器件的物理基础。具体到新型低维半导体材料，如何实现对其载流子的精准调控，同样是实现其丰富功能器件的必经之路。

近日，中国科学院上海技术物理研究所研究人员与复旦大学、南京大学、南京大学、华东师范大学及中科院微电子研究所的相关团队通力合作，提出了利用非易失性的铁电极化场对低维半导体材料的精准掺杂的新方法，并运用该方法构建了多种新型功能的电子和光电子器件。

图1 纳米探针操控铁电畴调控的低维半导体同质结（自上而下实现）

具体地，研究人员提出了两种利用铁电极化调控构建低维半导体光电器件方法。其一、通过纳米探针技术极化铁电薄膜，进而调控其覆盖的低维半导体（自上而下方法，见图1）。加正向电压，极化向下，半导体材料中注入电子；加负向电压，极化向上，半导体材料中注入空穴。其特征在于器件图案可任意编辑、可擦除重新写入、掺杂区域的空间尺寸精确，基于此方法研究人员构建了p-n结、BJT晶体管及新型存储等器件。其二、构建裂栅结构，通过固态电极施加电压极化铁电薄膜，进而调控顶层低维半导体（自下而上，见图2）。其特点是实现了固态结构，极化充分，器件性能及稳定性更佳。运用上述两种技术途径，皆可实现结型光电探测器及光伏器件，器件探测波长可覆盖可见-短波红外波段。

图2 裂栅极化调控的低维半导体p-n结固态结构（自下而上实现）

上述工作提出的铁电极化场调控低维半导体载流子的方法，为低维半导体功能化应用提供了新技术途径。相关研究成果相继在《自然-电子学》（doi.org/10.1038/s41928-019-0350-y）和《先进材料》（doi.org/10.1002/adma.201907937）等期刊公开发表。