何军: 揭示范德华双极半导体的传导行为

erliang

原子级薄范德华半导体(vdWS)作为新一代光电器件的良好材料而备受关注。然而，在不同vdWS中仍然存在争议的基本问题是其传导行为的真实起源(如传导类型)。由于vdWS的原子级薄的厚度以及未经掺杂，难以利用传统半导体理论解释这一问题。特别是双极传导行为，即电子在正栅极偏压(n极性)下传输，空穴在负偏压(p极性)下传输，已在许多vdWS中观察到，例如MoTe2、WSe2和黑磷。然而，双极性vdWS的传导行为的潜在机理仍然难以捉摸。到目前为止，已经在许多新材料中观察到双极行为，如碳纳米管(CNT)。然而，对于像CNT这样的极低维系统，触点可能主导传输行为。例如，研究人员已发现CNT用于肖特基势垒场效应晶体管(SBFET)，其中双极传导主要来自电子和空穴通过触点处的肖特基势垒注入。最近，研究人员将SBFET模型用于分析黑磷基晶体管，并且发现能够解释其双极传导特征。但是这一模型是否可以推广到其他vdWS仍然悬而未决。

近日，国家纳米科学中心何军研究员等从分析和理论上对双极性vdWS的传导行为进行了研究，并在Adv. Mater.上发表了题为“Uncovering the Conduction Behavior of van der Waals Ambipolar Semiconductors”的研究论文。数值模拟结果表明肖特基势垒场效应晶体管(SBFET)模型可以完全解释双极性vdWS。基于上述结果，作者发现在改变层厚的同时广泛观察到的导电极性转变主要来自金属/vdWS界面处的能带对准的调谐。通过在vdWS和基板之间引入惰性hBN层，可以抑制/反转这种转变。 通过第一性原理计算，证明金属/vdWS/衬底相互作用在调整肖特基势垒高度中起着至关重要的作用，最终决定了双极性vdWS表现出的传导行为。

综上所述，作者通过实验数据与数值模拟相结合，已经证明了包括MoTe2和WSe2的vdWS的双极传导行为可用SBFET模型完全解释，其中总电流由电子和空穴分支组成，对于其中任一支，隧道效应和热电子发射都可以根据能带弯曲条件(即有效的肖特基势垒高度)做出贡献。之后作者使用该模型来解释降低层厚同时双极vdWS的传导极性转换现象(从n主导到p主导或甚至纯“p型”)。这一转变显然是因为电子和空穴之间的固有肖特基势垒高度比的增加(qφiBe/φiBh)。然而，将vdWS完全或部分(仅接触区域)置于惰性hBN层上可抑制这种转变。通过从头计算，作者证实金属/ vdWS /衬底之间的相互作用决定了肖特基势垒高度，进而决定了SBFET表现出的传导行为。该工作不仅对双极性vdWS的传导极性调制进行了一般性的解释，而且还有助于重新考虑相关领域中观察到的实验现象。

文献链接：Uncovering the Conduction Behavior of van der Waals Ambipolar Semiconductors (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201805317)