Die Strukturgröße von Transistoren auf Siliziumbasis nähert sich der theoretischen Grenze, was höhere Anforderungen an die Herstellung von Halbleitern auf atomarer Ebene stellt. Die Grundidee der Herstellung auf atomarer Ebene besteht darin, Materie mit atomarer Präzision zu verarbeiten und zu manipulieren, was den Stromverbrauch des Chips erheblich reduziert und die Rechenleistung des Chips enorm steigert.
2D-Materialien sollen die Herausforderungen bewältigen, denen herkömmliche Halbleiterbauelemente auf Siliziumbasis gegenüberstehen. Der pn-Übergang ist die Grundeinheit optoelektronischer Bauelemente im Informationszeitalter.
Frühere Studien haben gezeigt, dass vertikale 2D-pn-Übergänge ohne Berücksichtigung von Gitterfehlanpassungen einfach hergestellt werden können. Aufgrund der Van-der-Waals-Lücke in den Schnittstellen und der beim Stapeln entstehenden Verunreinigungen verringern vertikale 2D-pn-Übergänge jedoch die Trägerbeweglichkeit.
Der 2D-laterale pn-Übergang kann diese Probleme effektiv lösen. Daher ist die Realisierung des Aufbaus eines hochwertigen 2D-lateralen pn-Übergangs für die praktische Anwendung von 2D-Halbleitern von entscheidender Bedeutung.
Die Ionenimplantationstechnik ist eine ausgereifte Dotierungsmethode zum Aufbau von pn-Übergängen in der traditionellen Halbleiterindustrie, die die Vorteile einer steuerbaren Dotierungskonzentration und -tiefe, reichlich vorhandener Dotierungselemente, einer gleichmäßigen Dotierungsfläche und eines umweltfreundlichen Dotierungsprozesses bietet.
Aufgrund der hohen Energie der einfallenden Ionen (mehrere zehn keV) verursacht die herkömmliche Ionenimplantationstechnik jedoch während des Implantationsprozesses Schäden oder durchdringt sogar die atomar dünnen 2D-Materialien, was zu Geräteausfällen führt. Daher ist es schwierig, die elektrischen und optischen Eigenschaften von 2D-Materialien mithilfe herkömmlicher Ionenimplantation direkt zu modulieren.
In einem Papier veröffentlicht in Lichtwissenschaft und AnwendungenEin Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Xiangheng Xiao von der Fakultät für Physik und Technologie des Key Lab of Artificial Micro- and Nano-Structures des Bildungsministeriums der Universität Wuhan in Wuhan (China) hat ein System zur niederenergetischen Ionenimplantation für die Konstruktion lateraler zweidimensionaler pn-Homoübergänge entwickelt.
Die Technik der Ionenimplantation mit niedriger Energie vereint die Vorteile der traditionellen Ionenimplantationstechnik. Sie verfügt über eine geringere Ionenenergie und eine geringere Implantationstiefe, was das Problem lösen soll, dass traditionelle Ionenimplantationstechniken nicht direkt angewendet werden können, um die Leistung von 2D-Materialien zu modulieren.
Obwohl einige Gruppen Forschungen zur Ionenimplantation bei niedriger Energie durchgeführt haben, konzentrierten sie sich hauptsächlich auf die mikroskopische Charakterisierung und Defektmodulation. Bis heute fehlt es an Forschung zur Verwendung der Ionenimplantation bei niedriger Energie, um eine strukturierte p-Typ-Dotierung auf 2D-Materialien zu erreichen, um ihre Leitfähigkeitstypen vollständig umzukehren und laterale pn-Homoübergänge zu konstruieren.
Durch präzise Modulation der Implantationsdosis wird der Leitfähigkeitstyp der WS2-Flocke erfolgreich moduliert, was eine Umwandlung vom n-Typ in einen bipolaren oder sogar p-Typ ermöglicht. Die Universalität dieser Methode wird auch durch ihre Ausweitung auf andere 2D-Halbleiter demonstriert. Darüber hinaus weist der auf dem lateralen pn-Homoübergang von WS2 basierende Fotodetektor eine zufriedenstellende Fähigkeit zur selbstbetriebenen Fotodetektion auf.
Diese Arbeit bietet eine effektive Methode zur kontrollierbaren Dotierung von 2D-Materialien und fördert die praktische Anwendung von 2D-Materialien.
Die Autoren verwendeten die Technik der Ionenimplantation mit niedriger Energie, um Stickstoffionen direkt in das aus wenigen Schichten bestehende WS2 zu implantieren, und erreichten eine präzise Modulation des WS2-Leitungstyps durch die Kontrolle der Implantationsdosis der Stickstoffionen mit niedriger Energie.
„Durch Erhöhen der Implantationsdosis kann der Leitfähigkeitstyp von WS2 vom n-Typ zum bipolaren oder sogar p-Typ geändert werden. Bei einer Ionenimplantationsdosis von 1×1014 Ionen cm-2 kann das Strom-Ein/Aus-Verhältnis des N-WS2-FET 3,9×106 erreichen. Die Leistung des N-WS2-FET verschlechtert sich nach drei Monaten nicht signifikant, was auf die Stabilität der Dotierungsmethode hinweist“, so die Forscher.
„Die niederenergetische Stickstoffionenimplantation wurde auf andere typische n-Typ-zweidimensionale Metallchalkogenidmaterialien wie WSe2, MoS2 und SnS2 ausgeweitet. Ihre Leitfähigkeitstypen wurden erfolgreich vom n-Typ zum p-Typ umgewandelt, was die Universalität der Methode demonstriert“, fügten sie hinzu.
Durch die Kombination der Technik der niederenergetischen Ionenimplantation mit der Lithographietechnik gelang es den Autoren, 2D-Materialien strukturiert zu dotieren. Der laterale pn-Homoübergang WS2 wurde erfolgreich hergestellt.
„Durch die Kelvin-Kraftmikroskopie wird festgestellt, dass im Übergangsbereich ein deutlicher Unterschied im Oberflächenpotential besteht, und es wird nachgewiesen, dass es mit dieser Methode möglich ist, einen lateralen pn-Homoübergang mit strukturierter Dotierung herzustellen. Der pn-Übergang weist bei Beleuchtung einen signifikanten Photovoltaikeffekt auf und zeigt bei Lasern unterschiedlicher Wellenlänge eine zufriedenstellende Fähigkeit zur selbstbetriebenen Fotodetektion.“
„Unter 532-nm-Laserbestrahlung bei 1,7 mW cm-2 kann der auf diesem pn-Übergang basierende, selbstversorgende Fotodetektor eine Leerlaufspannung von 0,39 V sowie eine Empfindlichkeit und Detektionsleistung von ungefähr 35 mA W-1 und 9,8 × 1010 Jones erreichen.“
Die Forscher sagen: „Diese mit integrierten Schaltkreisen kompatible Dotierungsmethode weist ein enormes Anwendungspotenzial bei der Modulation der Leistung von 2D-Halbleiterbauelementen auf und bietet eine zuverlässige Strategie zur Förderung der praktischen Anwendung von 2D-Materialien.“
Weitere Informationen:
Yufan Kang et al., Räumlich selektive p-Typ-Dotierung zur Herstellung eines lateralen WS2-pn-Homoübergangs durch niederenergetische Stickstoffionenimplantation, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2024). DOI: 10.1038/s41377-024-01477-3
Zur Verfügung gestellt von der Universität Wuhan