离子MoS2器件中高整流肖特基结和p-n结的可控切换
研究背景
2D层状材料由于其独特的性质，如原子级厚度、机械柔性、强光-物质相互作用和可调谐的电子性质，是下一代电子器件的重要组成部分。与传统基于Si和GaN的3D器件一样，构建肖特基结和p-n结等2D基器件的关键是定义合理的结区，以实现高的电整流比。MoS2是一种典型的2D材料，在场效应晶体管、光电探测器、气体传感和存储器件等应用中得到了广泛的研究。研究人员利用非对称金属接触制造了MoS2肖特基二极管。为了构建MoS2 p-n结，人们尝试了原子取代、离子注入、等离子体处理和化学掺杂等多种策略。然而，迄今为止，MoS2基肖特基二极管和p-n二极管的电流整流比仍然很低，通常在101-104范围内。MoS2结的性能差，通常会导致噪声大、功耗高等问题，无法满足电子电路的要求。器件的整流比由结的势垒高度和耗尽区的宽度决定，两者都取决于器件的掺杂水平。由于MoS2的本征强n型掺杂，通过上述方法对MoS2进行p型掺杂而不破坏晶体质量是一个挑战。缺乏高质量的p型MoS2直接导致基于MoS2的p-n结的整流率低。对于肖特基结器件，由于费米能级钉扎效应，金属/MoS2接触处的势垒高度对二者功函数差的依赖性较弱，导致势垒高度较小。此外，MoS2中强电子掺杂导致的窄耗尽区增加了隧穿电流的可能性。这两个因素共同决定了MoS2基肖特基结的低整流比。因此，制备具有高整流比的MoS2 p-n结和肖特基结的关键是在足够宽的范围内调节MoS2的载流子浓度，而不引入界面缺陷。
成果介绍
有鉴于此，近日，华中科技大学王顺教授，张卜天副研究员和张有为副研究员（共同通讯作者）团队展示了在具有两种类型金属接触的部分离子液体栅控MoS2器件中从肖特基结到p-n结的可控切换。在肖特基和p-n结模式下均实现了优异的整流行为，电流开/关比超过106。通过空间分辨光电流成像揭示了Pd电极/MoS2接触处肖特基结和p-MoS2/n-MoS2界面处p-n结的形成。在离子栅极调制下，两个结之间的切换与能带的变化有关，并通过有限元模拟进一步验证了这一点。该器件在p-n结模式下具有优异的光电探测性能，包括开路电压高达0.84 V，响应率为0.24 A W-1，比探测率为1.7×1011 Jones，响应时间为数百微秒，线性动态范围高达91 dB。这种高性能肖特基结和p-n结的电场控制为研究结的行为和2D电子器件的发展开辟了新的视角。文章以“Controllable Switching between Highly Rectifying Schottky and p-n Junctions in an Ionic MoS2 Device”为题发表在著名期刊Advanced Functional Materials上。
