低能离子注入实现二维横向pn结构造

硅基晶体管的特征尺寸正在逼近理论极限，这对半导体的原子级制造提出了更高的要求。原子级制造的基本思想是以原子级精度对物质进行加工和操控，这将大大降低芯片的功耗，实现芯片运算能力的大幅提升。

二维材料有望解决传统硅基半导体器件面临的挑战，pn结是信息时代光电器件的基本单元。

先前的研究表明，二维垂直pn结可以简单地制备，不受晶格失配的影响，但由于界面处的范德华能隙以及堆叠过程中引入的杂质，二维垂直pn结会降低载流子的迁移率。

二维横向pn结可以有效解决这些问题，因此如何实现高质量二维横向pn结的构筑对于二维半导体的实际应用至关重要。

离子注入技术是传统半导体工业中构建pn结的成熟掺杂方法，具有掺杂浓度和深度可控、掺杂元素丰富、掺杂区域均匀、掺杂过程无污染等优点。

但由于入射离子能量较高(数十keV)，传统离子注入技术在注入过程中会对原子级厚度的二维材料造成损伤甚至穿透，导致器件失效，因此难以利用常规离子注入技术直接调控二维材料的电学和光学性质。

在《光科学与应用》上发表的一篇论文中，由武汉大学物理科学与技术学院、教育部人工微纳米结构重点实验室肖祥恒教授领导的科学家团队开发了一种用于构建二维横向pn同质结的低能离子注入系统。

低能离子注入技术继承了传统离子注入技术的优点，具有较低的离子能量和较浅的注入深度，有望解决传统离子注入技术不能直接应用于调控二维材料性能的难题。

虽然也有少数研究小组对低能离子注入进行了研究，但主要集中在微观表征和缺陷调控方面，目前还缺少利用低能离子注入在二维材料上实现图案化p型掺杂，彻底反转其导电类型，构建横向pn同质结的研究。

通过精确调控注入剂量，成功实现了WS2薄片导电类型的调控，使其由n型转变为双极型甚至p型。该方法还扩展到其他二维半导体，证明了其普适性。此外，基于WS2横向pn同质结的光电探测器表现出了良好的自供电光电探测能力。

该工作为二维材料的可控掺杂提供了有效的方法，推动了二维材料的实际应用。

作者采用低能离子注入技术将氮离子直接注入少层WS2中，通过控制低能氮离子的注入剂量实现了WS2导电类型的精确调控。

“通过增加注入剂量，WS2的导电类型可以从n型变为双极型甚至p型。在1×1014ionscm-2的离子注入剂量下，N-WS2FET的电流开/关比可以达到3.9×106。N-WS2FET的性能在三个月后没有明显下降，这表明该掺杂方法的稳定性。”研究人员说。

“低能氮离子注入已扩展到其他典型的n型二维金属硫族化物材料，例如WSe2，MoS2和SnS2。它们的导电类型成功地从n型转变为p型，证明了该方法的普适性，”他们补充道。

作者将低能离子注入技术与光刻技术相结合，实现了二维材料的图案化掺杂，成功制作了WS2横向pn同质结。

“开尔文探针力显微镜表征发现结区存在明显的表面电位差，证明了用此方法构建图案化掺杂横向pn同质结的可行性。该pn结在光照下表现出明显的光伏效应，在不同波长激光下表现出良好的自供能光电探测能力。”

“在1.7mWcm-2的532nm激光照射下，基于该pn结的自供电光电探测器可以实现0.39V的开路电压、大约35mAW-1的响应度和探测率以及9.8×1010琼斯。”

研究人员表示：“这种与集成电路兼容的掺杂方法在调控二维半导体器件性能上展现出巨大的应用潜力，为推动二维材料的实际应用提供了可靠的策略。”