Science advances:利用光电掺杂，实现对过渡金属硫化物可控性掺杂，该掺杂方法超快、高效、非易失且可逆

【前言】

相比于硅基器件，基于二维纳米材料的半导体器件尺寸更小，并展现了更加丰富、优异的电学特性。如果基于二维材料的半导体器件可以取代硅基器件，将大幅度提升芯片集成度，延续摩尔定律，迎来一场巨大的芯片革命。目前，越来越多的材料物理学家，致力于二维材料晶圆级生长，并取得了非常大的成功。然而，芯片革命成功的关键因素在于实现二维材料可控性的掺杂，形成稳定的p型和n型二维纳米半导体材料。

目前应用于二维纳米半导体材料的掺杂手段主要分为以下三个方面：

(1)双栅极场效应管：其器件极性通过单独的栅极结构施加电压来控制，然而该掺杂方法具有易失性，断电后，器件极性不能保持。(2)表面修饰：在二维材料表明修饰化学分子或是沉积原子层，二维材料与修饰层发生电荷交换，实现二维材料极性控制。然而，该掺杂方法会在二维材料表面引入大量的化学杂质，导致器件迟滞现象严重，严重影响器件的电学特性。(3)不同功函数金属接触，实现器件极性控制：低功函数金属(例如Cr/Au)做接触，实现n型器件；高功函数金属(Pd/Au)做接触，使器件极性为p型。然而，高功函数金属价格昂贵，使器件制备成本增高。此外，以上三种掺杂手段，工艺复杂，均不能与标准的CMOS工艺兼容。

【成果简介】

近日，天津大学胡晓东、刘晶团队提出了一种光电掺杂方法：该掺杂方法利用紫外光照和局部电场联合作用，实现了对二维纳米材料的可控性掺杂：(1)可以形成单极性的n型器件和p型器件,且掺杂后的p型和n型器件具有高的载流子迁移率和载流子密度；(2)掺杂可逆，掺杂速度超快，掺杂周期在100ms以内；(3)掺杂是非易失的，掺杂后的器件可在空气环境下稳定工作，且没有任何迟滞现象；(4)该光电掺杂工艺与传统的CMOS工艺兼容，即利用传统的紫外光刻工艺，就可以实现二维纳米材料的空间选择性p型和n型掺杂，实现同质pn结，并应用于光电探测器和光伏器件。

【图文导读】

图1：可逆性掺杂，实现高性能单极性p型和n型器件

图2：超快掺杂，掺杂周期ms级

图3：空气环境下单极性p型和n型器件的稳定性

图4：空气环境下单极性p型和n型器件的零迟滞性

图5：利用该掺杂方法形成同质结，应用于光电探测器和光伏器件

Enxiu Wu et al. Dynamically controllable 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

通讯作者及团队介绍：

胡晓东

天津大学教授。主持国家自然科学基金项目2项，国家973计划课题1项，国家863计划子项目3项，省部级重点项目2项，作为主要参与人完成国家和省部级项目10余项；近年在Science Advances，ACS NANO等国际顶级期刊上来发表学术论文100余篇；已授权发明专利10项，撰写了2项国家标准.

刘晶

2013年11月至今任天津大学精密仪器与光电子工程学院副教授，2006年与2008年分别获得华中滚球体育 大学光信息与技术专业学士和硕士学位，2012年12月获得于美国密歇根大学生物医学工程系博士学位。2014年入选天津市第十批青年千人项目，荣获天津大学北洋青年学者骨干教师称号。主要研究方向包括纳米材料器件物理、纳米材料传感器，以及它们在柔性传感、光电检测和临床医疗等领域的应用。2009年至今，在Science Advances，ACS NANO等国际期刊上发表SCI论文40篇，平均影响因子8.73，总引用800余次，h指数15。多次受邀参加国内外学术会议并做大会报告。承担国家自然科学性基金和国家重点研发计划等项目。

课题组微信公众号：TJU_NanoMeasurem

本文由天津大学国家重点实验室胡晓东教授课题组供稿，材料人编辑部编辑

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