苏科大姜昱丞副教授/高炬教授团队在二维材料/二维电子气范德华异质结方面取得新进展

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在众多半导体器件中，二极管相对来说是最简单的一种器件，但又是电力电子电路中最常用的基础电子元器件之一，在电路中的作用举重若轻。现有的范德华异质结常温下整流性较差，正向电流与负向电流的比值较小，且负向有漏电情况。

近期，苏州科技大学姜昱丞副教授、高炬教授团队在二维材料/二维电子气范德华异质结方面取得新进展，探索了不同维度二维碲烯/二维电子气范德华异质结在不同温度下的整流特性以及边界效应对器件的影响，介绍了一种目前范德华结中表现最好的二极管异质结，丰富了二极管的相关应用，相关成果以标题为“Mixed Dimensional Te Nanowire−Te Nanosheet Heterojunctions with 2D Electron Gas on SrTiO3 for Diode Applications”发表在ACS Applied Nano Materials（IF：5.1）。此研究得到国家自然科学基金等资助支持。

该课题组发现利用水热法生成的二维碲(2D-Te)具有碲纳米线（TNW）和碲纳米片(TNS)两种形态，且两者具有不同的拉曼特征峰。随后利用光刻和氩离子辅助轰击法在钛酸锶（STO）衬底上诱导出二维电子气(2DEG)与二维碲接触形成混合维度异质结。该范德华异质结的优势体现在以下三个方面：1、这种异质结表现出良好的整流特性，TNW/2DEG的正负电流比高达10³,能在90 K-300 K温度范围内维持整流特性。TNS/2DEG的正负电流比高达10⁷，负向电流小于10 pA，近乎绝缘，能在10 K-300 K温度范围内维持整流特性。2、这种异质结具有较高的稳定性，两个月后测得的性能与刚刚制备测得的性能几乎没有衰减，且负向电压加到-100 V也不会被击穿。3、发现边界效应对于该结构异质结的电子输运存在影响。1D/2D二极管的电输运与2D/2D二极管的相比在3 V偏压下具有相反的温度依赖特性。对于1D/2D器件，边界效应起到主导作用，因此电流对于温度的依赖在任何偏压下都是相同的。而对于2D/2D器件，边界效应只在小的偏压下起作用，而当电压足够大时，体效应占主导地位，从而导致电流对温度的依赖发生翻转。基于2D-Te/2DEG异质结的二极管几乎是是一种新型的混合维范德华异质结的高性能和全温度二极管。该二极管结构简单、制备简单、性能优良，可广泛运用于电子芯片、智能器件等领域。

 

图1 (a)STO上的混合维TNW/2DEG范德华异质结示意图。(b)色彩属性模式下的照片和原子力显微镜图像。TNW的厚度约为20 nm，宽度约为100 nm。(c)带有金电极的TNW和TNS的I-V特性曲线。(d)2D-Te/2DEG范德华异质结的能带图。(e)不同温度下的I-V特性。插图显示对数坐标的I-V曲线。(f)不同偏压下的结电阻随温度的变化曲线。插图显示开启电压的温度依赖曲线。

图2 (a)AFM和(b)STO衬底上TNW的静电力显微镜(EFM)图像。TNW的宽度约为100 nm。(c)AFM和(d)TNS的EFM图像。静电场的宽度约为0.8 μm。

图3 (a)TNS/2DEG异质结的照片和AFM图像。TNS的厚度为23 nm。(b)不同温度下的I-V特性。插图显示对数坐标I-V曲线。(c)不同偏置电压下结电阻的温度依赖性。(d)TNS/2DEG异质结在300 K时偏压增加至−100 V的I−V曲线。插图显示了TNS/2DEG异质结制备一个月后与刚刚制备的对数I−V曲线。(e)TNW、TNB和TNS二极管的I-V特性。插图显示了TNB/2DEG范德华异质结制备一个月后与刚刚制备的对数I-V曲线。(f)TNW/2DEG、TNB/2DEG和TNS/2DEG异质连接在3 V下获得的结电阻的温度依赖性。

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https://doi.org/10.1021/acsanm.1c01988

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