第一作者：Enxiu Wu、Yuan Xie
通訊作者：劉晶、張代化、周崇武
通訊單位：天津大學、南加州大學
研究亮點：
1. 利用紫外光照和局部電場聯合作用，實現了對二維納米材料的可控性摻雜。
2. 這種光電摻雜方法超快、高效、非易失且可逆，工藝兼容性好。
3. 該摻雜方法所形成的器件具有優異性能。
二維半導體材料及其摻雜
相比于硅基器件，基于二維納米材料的半導體器件尺寸更小，并展現了更加豐富、優異的電學特性。如果基于二維材料的半導體器件可以取代硅基器件，將大幅度提升芯片集成度，延續摩爾定律，迎來一場巨大的芯片革命。
目前，越來越多的材料物理學家，致力于二維材料晶圓級生長，并取得了非常大的成功。然而，芯片革命成功的關鍵因素在于實現二維材料可控性的摻雜，形成穩定的p型和n型二維納米半導體材料。
摻雜手段
目前應用于二維納米半導體材料的摻雜手段主要分為以下三個方面：
(1)雙柵極場效應管：其器件極性通過單獨的柵極結構施加電壓來控制，然而該摻雜方法具有易失性，斷電后，器件極性不能保持。
(2)表面修飾：在二維材料表明修飾化學分子或是沉積原子層，二維材料與修飾層發生電荷交換，實現二維材料極性控制。然而，該摻雜方法會在二維材料表面引入大量的化學雜質，導致器件遲滯現象嚴重，嚴重影響器件的電學特性。
(3)不同功函數金屬接觸，實現器件極性控制：低功函數金屬(例如Cr/Au)做接觸，實現n型器件；高功函數金屬(Pd/Au)做接觸，使器件極性為p型。然而，高功函數金屬價格昂貴，使器件制備成本增高。此外，以上三種摻雜手段，工藝復雜，均不能與標準的CMOS工藝兼容。
成果簡介
有鑒于此，天津大學胡曉東、劉晶團隊聯合天津大學張代化團隊、美國南加州大學周崇武團隊，提出了一種超快、高效、非易失且可逆的光電摻雜方法：利用紫外光照和局部電場聯合作用，實現對二維納米材料的可控性摻雜。
圖1：可逆性摻雜，實現高性能單極性p型和n型器件
該方法有以下特點：
(1)可以形成單極性的n型器件和p型器件,且摻雜后的p型和n型器件具有高的載流子遷移率和載流子密度；
(2)摻雜可逆，摻雜速度超快，摻雜周期在100ms以內；
(3)摻雜是非易失的，摻雜后的器件可在空氣環境下穩定工作，且沒有任何遲滯現象；
(4)該光電摻雜工藝與傳統的CMOS工藝兼容，即利用傳統的紫外光刻工藝，就可以實現二維納米材料的空間選擇性p型和n型摻雜，實現同質pn結，并應用于光電探測器和光伏器件。
圖2：超快摻雜，摻雜周期ms級
圖3：空氣環境下單極性p型和n型器件的穩定性
圖4：空氣環境下單極性p型和n型器件的零遲滯性
圖5：利用該摻雜方法形成同質結，應用于光電探測器和光伏器件
小結
該研究開發了一種通用的光電摻雜方法，使MoTe2場效應晶體管能夠高效、非易失、可逆、超快和空間選擇性能帶調制。所得n-和p-摻雜器件的遷移率和穩定性都有顯著提高。這種摻雜方法為二維材料能帶調制開辟了一條新的途徑，并有可能在電子和光電子應用中實現各類器件概念和功能。
參考文獻：
Enxiu Wu, Yuan Xie, JingZhang, Hao Zhang, Xiaodong Hu, Jing Liu, Chongwu Zhou, and Daihua Zhang. Dynamicallycontrollable polarity modulation of MoTe2 field-effect transistors through ultraviolet light and electrostatic activation. Science Advances, 2019.
DOI: 10.1126/sciadv.aav3430
https://advances.sciencemag.org/content/5/5/eaav3430
