单层MoS2横向均匀PN结的研究及其应用

《Materials Science and Engineering: B》：Study of monolayer MoS2 lateral homogenous PN junction and its application

本研究通过氮等离子体掺杂技术制备了单层MoS?横向PN同质结，并成功研制出具有高电流增益（α=0.97，β=750）和优异光电性能（最大光响应度125.9 A/W，外量子效率2.93×10^4%）的PNP晶体管及光电探测器，验证了该掺杂工艺的有效性和兼容性。

　　

王文照|王曦|欧俊燕|罗中月|朱寅山|何明聪|万大|张琼迪|曾向斌

武汉科技大学电子信息学院，中国武汉430081

摘要

二硫化钼（MoS₂）作为一种典型的二维（2D）材料，具有高载流子迁移率、优异的光学响应能力和强的光吸收能力。理论上，与异质结相比，2D PN同质结可以避免晶格失配，因此在高光电检测性能方面具有更大的潜力。在本研究中，我们首先通过第一性原理计算阐明了氮等离子体掺杂引起的p型掺杂效应。然后，利用环形磁场实现了氮等离子体的选择性掺杂，并制备了基于单层MoS₂横向均匀PN结的PNP双极型晶体管（BJT）和光电探测器。该BJT的电流增益α可达0.97，β可达750。光电探测器的最大光响应度达到125.9 A/W，最大外部量子效率达到2.93 × 10⁴%，最大探测率达到2.57 × 10¹² Jones。研究表明，等离子体掺杂工艺是有效的，BJT表现出典型的电流放大特性，光电探测器性能优异。这种掺杂工艺与传统的CMOS工艺兼容，是制备用于下一代电子和光电子设备的横向PN同质结的理想选择，具有出色的性能。

引言

通过化学气相沉积（CVD）获得的二硫化钼（MoS₂）是一种n型半导体材料，其带隙随层数的增加而减小[1]、[2]、[3]。MoS₂具有优异的载流子迁移率和高的吸收系数[4]、[5]、[6]。据报道，MoS₂可以吸收从可见光到近红外（400–1000 nm）范围内的入射光[7]、[8]、[9]，这种单层材料在可见光波长下的光吸收率可达96%[10]、[11]，因此MoS₂成为光电子应用（如光电探测器）中的有前景的材料。

目前，大多数基于MoS₂的光电探测器要么是光晶体管，要么是异质结[12]、[13]、[14]。基于MoS₂的光晶体管的性能受许多因素影响[15]、[16]，例如栅极介质与MoS₂之间的界面接触。而对于基于异质结结构的光电探测器，由于异质材料之间的晶格失配，载流子传输受到限制[17]、[18]。此外，制备过程可能涉及异质材料之间的点对点转移，这比较复杂且容易引入杂质等。因此，与异质结光电探测器相比，同质结通常具有更好的界面匹配性、更少的缺陷、更少的载流子陷阱等[19]、[20]。单层MoS₂具有直接带隙[21]、[22]、[23]。为了利用单层材料的特性，应选择横向同质结而非受MoS₂薄膜厚度限制的垂直同质结。因此，由于其实现优异光电检测性能的巨大潜力，具有更简单结构、可控技术、更易制备过程和更好界面的MoS₂同质结光电探测器正成为研究热点。

Hwang等人通过在部分栅极结构中引入Pt和石墨非对称底电极来促进空穴注入。MoS₂与Pt底电极形成的明确的双极行为使得能够定量估计带调制效率和相应的内建电势，该电势接近MoS₂的带隙，从而形成横向PN结。这种横向PN结光电探测器的光响应度（R）可达到21.1 A W^?1[24]。Lu等人通过简单的范德华接触与二维Ruddlesden–Popper（2DRP）钙钛矿层实现了MoS₂的有效p型掺杂，未接触的MoS₂为n型材料，而与2DRP接触的区域转变为p型材料，形成了横向MoS₂ PN同质结。在零偏压下，基于这种结构的光电探测器具有529 mA W^{?1₃化学掺杂结合可以形成横向MoS₂ PN同质结，这种PN同质结光电探测器显示出5.07 A W?110 Jones的探测率以及约103的光开关状态比[27]。Sil等人使用溶胶-凝胶法生长的未掺杂n型ZnO层作为发射极和收集极区域；使用溶胶-凝胶法生长的钠（Na）掺杂p型ZnO层作为基极，从而制备了基于ZnO同质结的n-p-n双极型晶体管（BJT）。所制备的晶体管的直流电流增益在共基极模式下为0.958（α），在共发射极模式下为24（β），在共收集极模式下为24.6（γ）[28]。Yang等人通过部分化学掺杂制备了具有PNP和NPN结构的MoS₂横向双极型晶体管（BJPT），其光增益约为每个光子吸附103电子[29]。}

然而，由于器件对外部环境的敏感性很强，如何稳定掺杂并实现从n型到p型的转换是掺杂技术中的关键因素。在许多掺杂方法中，等离子体掺杂具有更广泛的应用前景[30]。在通过氮等离子体选择性掺杂制备的MoS₂横向均匀PN结中，结区形成的内建电场可以有效地分离光生电子-空穴对，并显著抑制载流子复合。同时，保留的高迁移率n型MoS₂区域可以加速载流子传输，从而在检测速度和灵敏度方面实现协同提升[31]。

在本研究中，通过使用密度泛函理论（DFT）计算分析了氮等离子体掺杂对MoS₂半导体性质的影响，包括晶格结构、能带、态密度（DOS）以及氮等离子体掺杂MoS₂的电荷密度差异。然后，我们利用环形磁场（TMF）实现了氮等离子体的选择性掺杂，并研究了基于掺杂MoS₂的场效应晶体管（FET）的电学特性，以验证氮等离子体的有效掺杂效果。利用这项技术，制备了单层MoS₂横向均匀PN结和PNP双极型晶体管（BJT），并对其电学性质和光电探测性能进行了表征。结果表明，PNP BJT的电流增益α可达0.97，β可达750。该器件的最大光响应度达到125.9 A W^?1，最大外部量子效率达到2.93 × 10⁴%，最大探测率达到2.57 × 10¹² Jones。制备的BJT表现出典型的电流放大特性，光电探测器性能优异，证明了薄膜和器件的制备过程是可行的，掺杂工艺是有效的。这种可控的等离子体掺杂技术与传统的CMOS工艺兼容，是制备用于下一代电子和光电子设备的横向PN同质结的理想选择，具有出色的性能。

章节片段

DFT计算

使用Cambridge Serial Total Energy Package（CASTEP）模块通过DFT计算了原始MoS₂和氮等离子体掺杂MoS₂的晶体结构和电子性质。采用超软赝势描述核心电子，并使用广义梯度近似（GGA）和Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函计算电子-电子交换相关能[32]、[33]。本工作中的计算基于稳定的晶格

DFT计算

TMF中氮离子化的主成分是N⁺和N₂⁺离子，图S1展示了用N⁺和N₂⁺离子替换硫原子后MoS₂的晶格结构。为了研究氮等离子体掺杂对单层MoS₂半导体性质的影响，需要分析其能带结构和DOS谱，以研究其电学特性。计算后得到了本征MoS₂和N⁺离子的能带结构和DOS谱

结论

在这项工作中，我们使用DFT计算分析了掺杂后的MoS₂。首先研究了原始MoS₂、N⁺掺杂和N₂⁺掺杂MoS₂的晶格结构，然后分析了掺杂MoS₂的电子性质，结果显示出p型掺杂特性。通过选择性氮等离子体掺杂CVD生长的MoS₂，实现了BJT和横向均匀PN结。制备的BJT的电流增益α可达0.97，β可达750。制备的横向均匀PN结

CRediT作者贡献声明

王文照：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源管理、方法论、研究、资金获取、概念构思。王曦：撰写 – 原始草稿、研究、概念构思。欧俊燕：撰写 – 审稿与编辑、研究。罗中月：方法论。朱寅山：方法论。何明聪：数据管理。万大：数据管理。张琼迪：资源管理、资金获取、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金的支持，资助编号为62441406和12232007。作者感谢武汉科技大学国家集成电路产业教育整合创新平台进行了PL和IV测量。作者还感谢武汉科技大学的分析和测试中心提供了拉曼和TEM测量支持。作者感谢光电微纳中心的光刻和金属蒸发支持