何军课题组双极性二维半导体器件研究新进展

minghong

在传统半导体领域中，材料不同的导电类型通常来源于不同的杂质掺杂，无法通过电学实现导电行为的转换。而在双极性二维半导体中，电子和空穴可同时在沟道中传输，其导电行为不仅受栅电压的调控，也很大程度上受到源漏电压的影响。这一效应在薄栅介质层器件中尤为明显，可为未来可重构电路芯片的设计提供新的途径。何军教授课题组长期从事双极性二维半导体器件方面的研究，包括双极性二维半导体导电类型的界面调控（Adv. Mater. 2019, 31, 1901144；Adv. Mater. 2019, 31, 1805317）和双极性二维半导体异质结导电行为的动态调控（Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1804897；Nat. Electron. 2018, 1, 356-361）等。近期，国际权威期刊Advanced Materials（《先进材料》）在线发表了何军教授课题组在双极性二维半导体器件方向取得的新进展，论文题目为：“Modulation of Negative Differential Resistance in Black Phosphorus Transistors”（《黑磷晶体管中的负微分电阻调制》）。武汉大学物理科学与技术学院为该研究工作唯一通讯单位，何军教授为通讯作者，程瑞清副研究员为第一作者。

器件结构示意图与负微分电阻特性

       在该研究工作中，何军课题组利用双极性沟道中横向载流子分布的特定电场依赖性，在基于薄栅介质层的二维黑磷场效应晶体管中实现了室温负微分电阻（NDR）特性。不同于传统的基于量子隧穿效应的负微分电阻器件，黑磷晶体管中的负微分电阻现象源自于双极性导电沟道中载流子类型在特定电场条件下的切换，而这在传统半导体器件构型中是无法实现的。黑磷负微分电阻器件展现出超高的峰值电流密度（~34 μA/μm）以及出色的栅电压调控能力。由于两种类型载流子（电子和空穴）的注入方式不同，其NDR以及Kink特性（即异常电流增加现象）表现出与传统负微分电阻器件不同的温度依赖性。此外，器件还展现出优异的光可调性，不仅可以有效地调控峰值电流和峰值电压，还可在暗态不表现出NDR特性的情况下通过光诱导出NDR特性。以上研究结果将有助于我们理解双极性二维半导体的导电行为，为射频、逻辑等相关电子应用提供新的思路。
       该研究工作得到了国家重点基础研发计划、国家自然科学基金等项目经费的支持。
       原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202008329
       文章来源：武汉大学
       何军，武汉大学物理科学与技术学院教授（二级），国家杰出青年基金获得者、科技部重大研发计划首席科学家、中组部 “万人计划”中青年科技创新领军人才、科技部中青年科技创新领军人才。研究方向及成果：1)新型低维半导体物理性质研究； 2)基于新型低维半导体材料新原理、新结构的电子器件设计与制造；3)基于新型二维半导体材料及其异质结的下一代电子、光电子器件及其硅基集成研究。何军教授长期从事低维半导体材料及其器件应用研究。已发表SCI研究论文200多篇，其中包括Nature Electronics、Nature Communications、Science Advances、Chemical Society Review、Nano Letters、Advance Materials、ACS Nano等影响因子大于10的通讯作者论文50余篇，论文引用超过6000次。现任Science Bulletin副主编，Elsevier旗下Materials Today Chemistry副主编，Elsevier旗下FlatChem编委，《自然》集团旗下杂志npj 2D materials and applications编委，英国物理学会IOP旗下Nanotechnology和Nano Futures编委。