離子MoS2器件中高整流肖特基結和p-n結的可控切換
研究背景
2D層狀材料由于其獨特的性質，如原子級厚度、機械柔性、強光-物質互相作用和可調諧的電子性質，是下一代電子器件的重要組成部分。與傳統基于Si和GaN的3D器件一樣，建構肖特基結和p-n結等2D基器件的關鍵是定義合理的結區，以實作高的電整流比。MoS2是一種典型的2D材料，在場效應半導體、光電探測器、氣體傳感和存儲器件等應用中得到了廣泛的研究。研究人員利用非對稱金屬接觸制造了MoS2肖特基二極管。為了建構MoS2 p-n結，人們嘗試了原子取代、離子注入、等離子體處理和化學摻雜等多種政策。然而，迄今為止，MoS2基肖特基二極管和p-n二極管的電流整流比仍然很低，通常在101-104範圍内。MoS2結的性能差，通常會導緻噪聲大、功耗高等問題，無法滿足電子電路的要求。器件的整流比由結的勢壘高度和耗盡區的寬度決定，兩者都取決于器件的摻雜水準。由于MoS2的本征強n型摻雜，通過上述方法對MoS2進行p型摻雜而不破壞晶體品質是一個挑戰。缺乏高品質的p型MoS2直接導緻基于MoS2的p-n結的整流率低。對于肖特基結器件，由于費米能級釘紮效應，金屬/MoS2接觸處的勢壘高度對二者功函數差的依賴性較弱，導緻勢壘高度較小。此外，MoS2中強電子摻雜導緻的窄耗盡區增加了隧穿電流的可能性。這兩個因素共同決定了MoS2基肖特基結的低整流比。是以，制備具有高整流比的MoS2 p-n結和肖特基結的關鍵是在足夠寬的範圍内調節MoS2的載流子濃度，而不引入界面缺陷。
成果介紹
有鑒于此，近日，華中科技大學王順教授，張蔔天副研究員和張有為副研究員（共同通訊作者）團隊展示了在具有兩種類型金屬接觸的部分離子液體栅控MoS2器件中從肖特基結到p-n結的可控切換。在肖特基和p-n結模式下均實作了優異的整流行為，電流開/關比超過106。通過空間分辨光電流成像揭示了Pd電極/MoS2接觸處肖特基結和p-MoS2/n-MoS2界面處p-n結的形成。在離子栅極調制下，兩個結之間的切換與能帶的變化有關，并通過有限元模拟進一步驗證了這一點。該器件在p-n結模式下具有優異的光電探測性能，包括開路電壓高達0.84 V，響應率為0.24 A W-1，比探測率為1.7×1011 Jones，響應時間為數百微秒，線性動态範圍高達91 dB。這種高性能肖特基結和p-n結的電場控制為研究結的行為和2D電子器件的發展開辟了新的視角。文章以“Controllable Switching between Highly Rectifying Schottky and p-n Junctions in an Ionic MoS2 Device”為題發表在著名期刊Advanced Functional Materials上。
