中国学者实现二维原子晶体双层垂直pn结大面积可控制备

集微网消息, 据湖南大学报到, 近年来, 二维层状半导体由于其新奇的物理和结构性质, 显示出具有应用于下一代电子与光电集成系统的极大潜能. 相较于单纯的二维材料, 二维层状材料的异质结由于具有原子层厚度的陡峭界面, 以及可调控的能带排列结构, 更适合实现多功能的片上集成, 引起了广泛关注. 然而, 现有的研究大多都停留在采用机械剥离再堆垛的方法得到垂直异质结, 而这种方法由于得到的异质结形状尺寸不可控制, 极大地限制了其未来的应用发展. 相比较而言, 通过直接生长的方法得到的异质结具有形状尺寸可控, 界面更加干净等优势, 更加具有应用的潜力. 但是, 直接生长大尺寸高质量的二维原子层状垂直异质结, 尤其是p-n异质结, 仍然是科学界的一大难题.

日前, 湖南大学微纳信息器件与系统研究中心潘安练教授领衔的纳米光子材料与器件交叉研究团队利用可控的化学气相沉积技术, 首次实现了宏观毫米尺寸的WSe2/SnS2垂直双层p-n异质结的可控制作, 并实现了在高性能集成光电器件上的应用. 该成果是新型二维原子晶体光电研究领域的重要突破, 并以 'Van der Waals epitaxial growth and optoelectronics of large-scale WSe2/SnS2vertical bilayer p–n junctions' 为题在国际顶级期刊《自然•通讯》(Nature Communications, IF=12.124)发表, 论文第一作者为潘安练教授指导的博士生杨铁锋和郑弼元.

在该项工作中, 研究者通过采用先进的两步热化学气相沉积方法, 基于对生长过程的深刻理解, 实现了精细的大面积单层-单层可控生长, 得到了迄今为止最大的WSe2/SnS2垂直单晶双层p-n异质结的制作, 异质结的横向尺寸达到了毫米量级. 研究者还在这个大面积二维p-n异质结上, 设计构建了三种不同类型的器件, 通过表征发现, parallel-series模式异质结器件显示出很低的漏电流 (~10-14A) , 以及很高的晶体管开关比 (107) , 同时显示出很好的光电响应特性, 多项性能优于已有报道的指标. 对520nm激光的响应时间约为500微秒, 超过已报到的所有直接生长的垂直p-n异质结, 甚至优于大多数机械剥离转移形成的异质结. 此外通过在同一个大尺寸二维异质结上实现了三种不同性能的器件, 在未来使用中可以根据具体使用需求选择对应的器件, 实现了一定意义上的集成. 该项技术突破将为下一步新型二维材料在集成光电子器件和系统的构建奠定基础.

该研究工作得到国家杰出青年基金, 国家自然科学基金和湖南省科技计划重点项目等课题支持, 并得到上海技术物理所胡伟达团队, 南京大学缪峰团队和东南大学孙立涛团队的支持.