Nano Res.│表面电荷转移掺杂技术在二维半导体电子和光电子领域的研究及应用
背景介绍
在现代半导体电子和光电子领域，利用掺杂技术来有效调控半导体中载流子的类型和浓度是极为关键的。广泛应用于传统硅工艺的离子注入与热扩散等掺杂技术主要依赖于掺杂离子以离子束的形式轰击半导体或掺杂原子以高温热扩散的方式沉积入半导体晶格中形成替位掺杂。基于这项掺杂技术，具有固定掺杂浓度的p型或n型半导体以及它们的集成化电路已经成功制备且广泛应用。而随着传统半导体集成电路集成化的不断提升，晶体管尺寸按比例缩小后产生的短沟道效应致使硅基场效应晶体管的性能大幅降低。所以半导体产业的持续发展急需寻求新型的替代材料。近些年来，逐渐兴起的具有原子级厚度的二维材料，因不受限于短沟道效应，被认为有望取代硅基半导体而应用于下一代纳米电子和光电子领域。但当传统掺杂技术应用于具有原子级厚度的二维材料时，缺陷的引入及晶格结构的损害均会破坏材料的本征优异性能。而表面电荷转移掺杂技术则是一种具有非破坏性的掺杂手段，它依赖于掺杂物与主体半导体间的表面电荷转移来实现掺杂，所以不会破坏二维材料的晶体结构并且保持或提升了材料的性能。此外，因为二维材料具有较高的比表面积，覆盖在其表面的掺杂物质更易提供有效的掺杂过程。同时，鉴于掺杂过程不涉及复杂的制备工艺和静电掺杂下多余的能量损耗，表面电荷转移掺杂技术已被广泛应用于对二维材料进行掺杂从而来调控其电学和光学特性，从而更进一步帮助设计并构造具有特定优异性能的二维多功能器件。
成果简介
新加坡国立大学陈伟教授课题组在本篇综述中着重介绍了表面电荷转移掺杂技术，以及其在二维电子和光电子学领域的研究和进展。首先作者简要阐述了表面电荷转移掺杂技术的物理机制，为合理选择表面掺杂物质从而实现理想的掺杂效果提供了理论依据。其次作者详细介绍了这项技术对二维半导体材料的电学和光学等基本性质的调控，例如载流子浓度、迁移率、材料的晶体能带结构与拉曼荧光光谱等。与传统的掺杂技术相比，表面电荷转移掺杂技术可以有效地屏蔽陷阱电荷的散射影响，从而有利于提升二维半导体中载流子的迁移率。同时得益于表面电荷转移下所形成的强电场的作用（斯塔克效应），二维半导体的带隙也可以通过这项技术进行调控。而对于特定的二维过渡金属硫族化合物，其繁多的体相主要依赖于过渡金属d轨道中电子的填充状态，所以表面电荷转移掺杂技术的使用也可用于研究材料的相变过程。在二维半导体的光学性质方面，通过选择合适的表面掺杂物，材料的光致发光效率也可通过材料中载流子浓度地改变而得到有效的增强。同样由于二维半导体中较强的电子和声子耦合作用，二维半导体的掺杂类型也可间接反应于拉曼光谱中。接下来文章进一步总结了表面电荷转移掺杂技术在二维半导体电子器件，如晶体管、二极管和逻辑反向器，及光电子器件，如光探测器和光伏，等方面的实际应用。通过对二维半导体与金属电极的接触处进行强掺杂，金属与半导体间的肖特基势垒可以有效降低，从而有利于载流子的注入进而优化了器件的性能。进一步借助于光刻或电子束刻蚀技术，表面电荷转移掺杂还可对材料进行空间可控性的掺杂，基于此拥有不同掺杂类型的pn二极管可在单个材料中制成，避免了不同掺杂类型的材料复合时复杂的界面影响。类似地，通过此种掺杂手段高性能逻辑反向器也被广泛研究并制备。而在光电器件发面，有效的表面掺杂提升了二维半导体中载流子迁移率并且降低了材料与金属电极的接触电阻，所以光探测器的性能，如光响应度、光探测度得以大幅提升。将利用表面电荷转移掺杂技术制备的高性能pn结应用于光伏器件也同样展现出了优异的性能。最后，文章探讨了目前该技术在二维半导体材料研究中面临的机遇与挑战，如寻求环境稳定且无毒的重掺杂物、探索合适的掺杂物保护手段来实现较好的化学与热稳定性以及大面积的集成化电路制备等。
作者简介
新加坡国立大学理学院陈伟教授和深圳大学微纳光电子学研究院韩成教授为文章的通讯作者。陈伟教授课题组博士生王亚楠和郑越为文章的第一作者。
王亚楠，新加坡国立大学物理系博士生，于2017年加入陈伟教授课题组。目前的研究方向为二维材料电子及光电子器件的制备及应用。
郑越，新加坡国立大学物理系博士生，于2016年加入陈伟教授课题组。目前的研究方向为二维材料的表面修饰及多功能电子器件的制备。
韩成，深圳大学微纳光电子学研究院教授。2014年在新加坡国立大学物理系获得博士学位，2014-2017年在新加坡国立大学化学系从事博士后研究，于2017年加入深圳大学微纳光电子学研究院。2018年，入选深圳市海外高层次人才孔雀B类。近年来，主要致力于新型低维纳米材料光电子器件的基础研究及其器件应用，多项成果处于国际领先水平。目前已发表学术论文30余篇，其中以第一作者（含共同一作者）和通讯作者在国际一流期刊上发表论文20余篇，包括Nature Communications、Advanced Materials、Chemical Society Reviews、Nano Letters、Angewandte Chemie International Edition、ACS Nano等知名期刊，总引用超过1000余次。
陈伟，新加坡国立大学化学系和物理系教授，兼任天津大学-新加坡国立大学福州联合学院新方主任。课题组目前主要关注于低维分子量子结构/二维材料的界面问题，及其在二维材料光电功能器件，有机光电功能器件等方面的应用,以及环境和能源相关的表界面纳米催化．在国际顶级期刊上已发表超过300篇论文，引用超过14,000次，H-因子为60，入选2018，2019 科睿唯安 高被引科学家。陈伟教授于2009年获得新加坡物理协会纳米技术奖， 2012年新加坡总统奖（青年科学家奖），2016年新加坡国立大学院长讲席教授，2020年新加坡化学会Mitsui Chemicals-SNIC Industry Award.
课题组网站：https://www.chenweilab.com/
文章信息
Yanan Wang, Yue Zheng, Cheng Han* & Wei Chen*. Surface charge transfer doping for two-dimensional semiconductor-based electronic and optoelectronic devices. Nano Research 10.1007/s12274-020-2919-1.
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