实现超快可编程的二维原子晶体同质结 | 进展

二维原子晶体具有带隙可调控、高迁移率、低介电常数和新奇的自旋、能谷等特性，利用二维原子晶体的这些优异特性，可研制面向下一代的信息功能器件，从而构建集成电路。p-n结作为现代电子学和光电子学中最基本的单元器件，如何构筑二维原子晶体p-n结对于未来发展基于二维晶体的电子器件具有重要研究意义。过去研究者们通过二维 p型和n型半导体的范德瓦尔斯堆叠构筑异质p-n结，或者采用局部分立栅极调制、铁电极化和半浮栅等方法对二维原子晶体沟道相邻区域进行静电掺杂来构建同质p-n结。与异质p-n结相比，单一二维原子晶体沟道形成的同质p-n结具有连续的能带排列，更均匀的静电掺杂分布，更容易的电和光可编程特性，从而导致更大的整流比，更高的载流子迁移率和更高效的光电响应。然而之前铁电极化或者半浮栅编程的二维原子晶体同质结的编程时间都在毫秒到秒量级，如何实现二维原子晶体同质结的超快编程在实验上具有很大的挑战性。

近年来，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧研究员领导的团队致力于新型二维原子晶体材料的制备、物性调控及原型器件等方面的研究。该团队的鲍丽宏副研究员等利用二维范德瓦尔斯异质结的原子级锐利界面及增强的耦合特性，成功构筑了高迁移率、高开关比场效应晶体管（Nano Res. 13, 1127 (2020)），高光响应度和高探测率光电探测器（Nano Lett. 20, 6666 (2020)），以及超快非易失浮栅存储器（Nature Nanotechnol. 16, 882 (2021)）。

图1. 超快可编程InSe同质结的各功能单元层间的原子级锐利界面特性

图2.超快可编程InSe同质结的输出特性

图3. 基于超快可编程InSe同质结的整流器和两比特非易失性存储器

最近，该研究团队的博士生王昊和鲍丽宏副研究员与国科大的周武教授等合作，对二维原子晶体同质结的超快编程进行了深入研究。他们利用二维范德瓦尔斯异质结的原子级锐利界面特性，采用半浮栅器件结构，成功实现了二维原子晶体沟道的纳秒级（~ 20 ns）静电编程，比其他二维同质结快7个数量级。通过施加不同极性的电压脉冲，构建了横向p-n、n+-n及其他类型的同质结。其中同质p-n结具有高达~105的整流比，并且可以在四种不同的导电状态之间动态切换，电流跨越9个数量级。基于这些特性，实现了逻辑整流器，存储器和多值逻辑反相器等功能器件的构筑。中国科学院大学Roger Guzman博士和周武教授对二维范德瓦尔斯异质结截面进行了原子级扫描透射显微成像分析。该工作为未来电子器件的发展提供了新的设计方案，有望成为下一代存储器、逻辑整流器和集成电子器件中不可或缺的结构单元。

图4. 基于超快可编程InSe同质结的多值逻辑反相器

该成果以“Ultrafast-programmable two-dimensional homojunctions based on van der Waals heterostructures on a silicon substrate”为题，于2023年5月19日在线发表在Advanced Materials杂志上。博士生王昊、鲍丽宏副研究员和中国科学院大学Roger Guzman博士为共同第一作者，鲍丽宏副研究员和中国科学院大学周武教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（61888102, T2125014），科技部（2018YFA0305800），中国科学院（XDB30000000, XDB28000000, Y201902, YSBR003）和北京市科委（BJJWZYJH01201914430039）的支持。