低能离子注入实现二维横向p-n结结构

硅基晶体管的特征尺寸正接近理论极限，这对半导体的原子级制造提出了更高的要求。原子级制造的基本思想是以原子级精度加工和操纵物质，这将大大降低芯片的功耗，实现芯片运算能力的大幅提高

2D材料有望解决传统硅基半导体器件面临的挑战。p-n结是信息时代光电子器件的基本单元

之前的研究表明，无论晶格失配如何，都可以简单地制备2D垂直p-n结。然而，由于界面中的范德华间隙和堆叠过程中引入的杂质，2D垂直p-n结会降低载流子迁移率

2D横向p-n结可以有效地解决这些问题。因此，如何实现高质量二维横向p-n结的构建对于二维半导体的实际应用至关重要

离子注入技术是传统半导体工业中构建p-n结的一种成熟的掺杂方法，具有掺杂浓度和深度可控、掺杂元素丰富、掺杂面积均匀、掺杂过程无污染等优点

然而，由于入射离子的能量很高（数十keV），传统的离子注入技术在注入过程中会对原子薄的2D材料造成损坏甚至穿透，导致器件故障。因此，使用传统的离子注入很难直接调制2D材料的电学和光学特性

在《光科学与应用》上发表的一篇论文中，由武汉大学教育部人工微纳结构重点实验室物理与技术学院肖向恒教授领导的一个科学家团队开发了一种用于构建二维横向p-n同质结的低能离子注入系统

低能离子注入技术继承了传统离子注入技术的优点。它具有较低的离子能量和较浅的注入深度，有望解决传统离子注入技术不能直接应用于调节2D材料性能的问题

尽管少数研究小组对低能离子注入进行了研究，但他们主要关注微观表征和缺陷调制。迄今为止，还缺乏关于使用低能离子注入在2D材料上实现图案化p型掺杂以完全反转其导电类型并构建横向p-n同质结的研究

通过精确调节注入剂量，成功地调节了WS2薄片的导电类型，可以从n型转换为双极型甚至p型。通过将其扩展到其他二维半导体，也证明了这种方法的普遍性。此外，基于WS2横向p-n同质结的光电探测器表现出令人满意的自供电光电探测能力

这项工作为二维材料的可控掺杂提供了一种有效的方法，促进了二维材料的实际应用

作者使用低能离子注入技术将氮离子直接注入到几层WS2中，并通过控制低能氮离子的注入剂量实现了WS2导电类型的精确调制

WS2横向p-n同质结KPFM和电性能的测量结果。来源：《光：科学与应用》（2024）。DOI:10.1038/41377-024-01477-3 WS2横向p-n同质结光电探测器的光电性能。来源：《光：科学与应用》（2024）。DOI:10.1038/41377-024-01477-3

“通过增加注入剂量，WS2的导电类型可以从n型转变为双极型甚至p型。在1×1014个离子cm-2的离子注入剂量下，n-WS2 FET的电流开/关比可以达到3.9×106。研究人员表示：“三个月后，N-WS2 FET的性能没有显著恶化，表明掺杂方法的稳定性。低能氮离子注入已扩展到其他典型的N型二维金属硫属化物材料，如WSe2、MoS2和SnS2。”。他们补充道：“它们的导电类型成功地从n型转变为p型，证明了该方法的普遍性。”通过将低能离子注入技术与光刻技术相结合，作者实现了2D材料的图案化掺杂。成功制备了WS2横向p-n同质结。“开尔文探针力显微镜表征了结区存在明显的表面电势差，并证明了用这种方法构建图案化掺杂的横向p-n同质结点的可行性。”。p-n结在光照下表现出显著的光伏效应，并在不同波长激光下表现出令人满意的自供电光电探测能力。“

”在1.7 mW cm-2的532 nm激光照射下，基于这种p-n结的自供电光电探测器可以实现0.39 V的开路电压、约35 mA W-1的响应率和9.8×1010 Jones的探测率。研究人员表示：“这种与集成电路兼容的掺杂方法在调节2D半导体器件的性能方面显示出巨大的应用潜力，并为促进2D材料的实际应用提供了可靠的策略。p