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黑磷是黑色有金屬光澤的晶體，它是用白磷在很高壓強(qiáng)和較高溫度下轉(zhuǎn)化而形成的。黑磷是一種新型層狀結(jié)構(gòu)的直接帶隙二維半導(dǎo)體材料，隨著層數(shù)的減少，其帶隙由塊體的0.3eV逐漸增大至單層的1.5eV，在此過程中黑磷始終保持直接帶隙的特性。這一帶隙范圍覆蓋了光譜中從可見光到中紅外光的波段，在遠(yuǎn)程通訊、傳感器、太陽能電池等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
另外，少層黑磷場效應(yīng)晶體管表現(xiàn)出了優(yōu)異的電流開關(guān)比性能（～105），其空穴遷移率在室溫達(dá)到了1000cm2/Vs，顯示了其在邏輯、開關(guān)器件應(yīng)用領(lǐng)域的巨大潛力。然而，本征的黑磷是一種P型半導(dǎo)體材料，如果要實現(xiàn)黑磷材料的邏輯器件應(yīng)用，就需要有效調(diào)控其導(dǎo)電類型，獲得互補(bǔ)N型場效應(yīng)器件。在傳統(tǒng)半導(dǎo)體領(lǐng)域中，調(diào)控導(dǎo)電類型可以通過替代原子的方式來完成，而在二維材料中，由于其單層、少層的特性，穩(wěn)定的面內(nèi)鍵合，表面缺少懸掛鍵等，通過代位原子的方式來調(diào)控導(dǎo)電類型的目的極難實現(xiàn)。另外，黑磷在空氣中極不穩(wěn)定，也為器件制作工藝帶來了巨大挑戰(zhàn)。
針對黑磷的不穩(wěn)定性、調(diào)控導(dǎo)電類型的極具挑戰(zhàn)性，中科院高鴻鈞研究組王國才等與所美國Vanderbilt大學(xué)教授SokratesT.Pantelides等人合作，在實驗上首次發(fā)現(xiàn)了過曝PMMA覆蓋層對黑磷的保護(hù)及調(diào)控導(dǎo)電類型的作用，實現(xiàn)了黑磷的P型（空穴型）及N型（電子型）分立場效應(yīng)單元器件，進(jìn)而將它們集成在一起，構(gòu)筑了基于黑磷的柵調(diào)制二極管、雙向整流器與邏輯反相器等一系列平面邏輯器件。
 圖1.(a)覆蓋過曝PMMA的黑磷器件與單純黑磷器件串聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖。(b)相應(yīng)器件光學(xué)顯微鏡圖片。(c)圖(b)中所示電極的對應(yīng)器件的轉(zhuǎn)移特性曲線。
如圖1所示，當(dāng)過曝PMMA覆蓋黑磷場效應(yīng)晶體管的一部分溝道時，轉(zhuǎn)移特性曲線表明未覆蓋部分為空穴主導(dǎo)的導(dǎo)電類型（P型），而覆蓋的部分為電子主導(dǎo)的導(dǎo)電類型（N型），證實了過曝PMMA覆蓋層對黑磷的摻雜作用，進(jìn)而通過調(diào)控電子束曝光劑量實現(xiàn)了對黑磷導(dǎo)電類型的調(diào)控。隨后，將P型、N型黑磷晶體管集成在一起構(gòu)成了黑磷二極管，器件的輸出曲線證實了其整流功能，整流比大于100且隨著柵壓變化而變化。另外，在零偏壓時，器件的關(guān)斷電流在pA/μm的量級，顯示了該柵控二極管的低功耗特性（圖2）。
圖2.（a）黑磷柵控二極管的光學(xué)顯微鏡圖片。(b)器件的轉(zhuǎn)移特性曲線。(c)線性坐標(biāo)系下，在不同背柵電壓調(diào)控下的輸出特性曲線，清晰地顯示了其整流作用。(d)對數(shù)坐標(biāo)系下，在不同背柵電壓調(diào)控下的輸出特性曲線。
以上結(jié)果表明用過曝PMMA覆蓋黑磷器件的不同部分時可以實現(xiàn)黑磷電子導(dǎo)電型晶體管（全覆蓋）和柵控二極管（部分覆蓋）。而將過曝PMMA條帶結(jié)構(gòu)放置在黑磷場效應(yīng)晶體管導(dǎo)電溝道中，零柵壓時器件的輸出特性也顯示了整流特性，當(dāng)改變所加偏壓的方向時，該器件顯示了幾乎相同的整流特性，證實了該器件具有雙向整流的特性（圖3）。這種雙向整流特性是由于過曝PMMA覆蓋的黑磷部分是電子導(dǎo)電為主，而未覆蓋的部分是空穴導(dǎo)電為主，從而在它們接觸的地方形成了能量勢壘，只有能量大于該勢壘的載流子才可以越過勢壘，而該器件采用了對稱結(jié)構(gòu)，所以可以實現(xiàn)雙向整流的特性。
圖3.（a）黑磷雙向整流器的光學(xué)顯微鏡圖片。(b)零柵極電壓下，器件的輸出特性曲線（紅色：對數(shù)坐標(biāo)；藍(lán)色：線性坐標(biāo)）。(c)器件在不同偏壓方向時的輸出特性曲線。(d)線性坐標(biāo)系下，在不同背柵電壓調(diào)控下的輸出特性曲線（插圖為相應(yīng)曲線在對數(shù)坐標(biāo)系下的情形）。
邏輯反相器是實現(xiàn)電路邏輯功能的單元器件，而實現(xiàn)邏輯反相器的關(guān)鍵在于P型、N型分立場效應(yīng)器件以及對其導(dǎo)電特性的控制。如圖4所示，將P型和N型黑磷場效應(yīng)晶體管集成在一起即可構(gòu)成黑磷邏輯反相器，器件的輸出特性證實了其邏輯反相功能，電流增益達(dá)到了0.75。理想邏輯反相器的電流增益是無窮大，這一器件電流增益不大主要是由于背柵同時對P型和N型黑磷場效應(yīng)晶體管進(jìn)行調(diào)控，無法達(dá)到一個完全匹配的狀態(tài)，如要進(jìn)一步提高其電流增益，需要使用分立柵極對N型、P型黑磷場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)電特性進(jìn)行分立操作控制。另外，使用高k介質(zhì)也是一個可行的選擇。
圖4.（a）黑磷邏輯反相器的器件示意圖。(b)器件的光學(xué)顯微鏡圖片。(c)器件中分立n-和p-型場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線。(d)邏輯反相器的輸出信號及增益與輸入信號間的變化曲線。
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