Nano Letters：二维材料调制掺杂——助力实现二维电子器件的新策略

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对半导体材料进行掺杂或引入缺陷是调控材料电学性能的主要途径，精确可控的掺杂和缺陷调制是促进基于半导体材料的电子器件发展的关键前提。二维半导体材料，在制作高性能纳电子器件方面具有天然优势，是克服传统硅基集成电路工艺极限问题的潜在材料方案。在硅基集成电路工艺中，掺杂主要通过离子注入实现，但由于二维半导体材料仅有原子层级别厚度，其晶格在此过程中极易受到破坏；以界面分子修饰或控制静电栅极电压实现的掺杂也往往面临稳定性较差、电击穿等问题。因此，发展新的二维半导体掺杂策略，实现对于载流子的精确、稳定控制，对于推动二维半导体电子器件的工业应用具有重要的作用。

近日，吉林大学李贤斌教授、王丹博士和清华大学孙洪波教授联合在Nano Letters发表文章“Modulation Doping: A Strategy for 2D Materials Electronics”，通过第一性原理计算报道了一种二维半导体调制掺杂策略。调制掺杂可以实现在不破坏沟道层二维材料完美晶格情况下的有效掺杂，可保持二维材料的高迁移率，与现有集成电路工艺兼容，且具有普适性。

调制掺杂的主要思想是将两层二维半导体材料堆积成异质结，其中一层材料是覆盖层，另一层是沟道层，通过在覆盖层内引入缺陷，与沟道层发生电荷转移，从而控制沟道层材料掺杂特性及电学性能，使其应用于电子器件（比如晶体管）制造，如图1所示。覆盖层可以避免沟道层晶格受到破坏，同时由于载流子（电子或空穴，在沟道层）和缺陷（在覆盖层）在空间上分离，所以此方案可获得高迁移率。

图1. 传统掺杂与调制掺杂对比示意图

如图2、3所示，在石墨烯/氮化硼异质结中，氮化硼为覆盖层，石墨烯为沟道层，氮化硼内缺陷硼空位和氮空位分别与石墨烯发生电荷转移，从而实现石墨烯的P型和N型掺杂。值得注意的是，硼空位和氮空位在单独氮化硼内部都是深缺陷，几乎无法向氮化硼自身提供载流子，但在此异质结中，却可为近邻的石墨烯沟道层提供载流子。作者进一步研究发现，在石墨烯与具有缺陷的氮化硼之间插入一层无缺陷的氮化硼，仍可实现硼空位或氮空位与石墨烯之间的有效电荷转移，但转移数目发生变化。这证明了通过调整周边的介电环境，可实现对沟道层的载流子浓度、甚至迁移率的灵活调控。

图2. 在异质结石墨烯/氮化硼（含有硼空位）中实现P型石墨烯

图3. 在异质结石墨烯/氮化硼（含有氮空位）中实现N型石墨烯

更为重要的是，上述掺杂策略也可在具有（非零）禁带宽度的二维半导体沟道层中实现。如图4、5所示，在二硫化钼/氮化硼（含有氮空位）异质结中实现了N型的二硫化钼，在异质结二硫化钼/二硫化锆（含一氧化氮分子替硫原子的缺陷）中实现P型二硫化钼。

图4. 在异质结二硫化钼/氮化硼（含有氮空位）中实现N型二硫化钼

图5. 在异质结二硫化钼/二硫化锆（含一氧化氮分子替硫原子）中实现P型二硫化钼

先前二维半导体的掺杂调控仍面临一些困难，例如由于维度降低导致的电子局域化效应使缺陷的电离能比在三维材料时更大或者说缺陷能级更深，这不利于缺陷对载流子的有效提供；另外，载流子与缺陷被约束到原子层厚度范围会增加散射概率，这导致二维半导体迁移率的显著下降。本研究提出的调制掺杂策略一方面把传统认为（覆盖层）“无用”的深能级缺陷巧妙地转变为（沟道层的）“浅”缺陷，即将覆盖层中缺陷的电子或空穴转移到沟道层的导带或价带从而实现沟道层的理想N/P导电；另外一方面，电离缺陷与载流子在空间上的分离也保证了沟道层的良好迁移率；该方法也容易与半导体工艺相兼容。因此，该研究为克服二维半导体在集成电路、光电子器件等应用的掺杂问题提供了新思路。

该论文第一作者是王丹博士，通讯作者为李贤斌教授、孙洪波教授。王丹博士主要从事与半导体制程相关的二维电子材料缺陷与掺杂物理问题研究，曾以第一/通讯作者在Phys. Rev. Lett.、Nano Letters、Nano Today等学术期刊发表论文10篇。曾获全国半导体物理学术会议、耶鲁大学学术论坛、纽约计算量子物理中心学术论坛邀请报告。曾任伦斯勒理工学院、耶鲁大学博士后研究员。以第一完成人获吉林省自然科学学术成果奖。王博士开发的二维半导体缺陷电离能评价方法曾被莱斯大学、新加坡计算所，多伦多大学、悉尼科技大学、新加坡国立大学、巴西ABC联邦大学等近20个机构使用；开发的二维材料缺陷评价的连续介质模型被开源第一性原理计算软件JDFTx集成发布。

李贤斌教授带领的吉林大学计算半导体物理实验室 (www.ioe-jlu.cn/csp)长期聚焦工业界关心的半导体物理问题，采用电子结构计算方法开展调控与设计研究，主要领域包括非易失性相变信息存储半导体的机理探索与新材料开发、光电半导体的缺陷物理研究等。他曾在Phys. Rev. Lett.、Nature Commun.、IEEE等期刊发表第一/通讯作者论文50多篇。李教授与合作者共同提出的过渡金属元素牢靠钉扎中心模型曾为我国相变存储芯片研制提供材料设计方案；他主持完成了当前国际上最大规模的相变信息存储材料高通量计算筛选工作。

*中国科协科学技术传播中心支持

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论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c02192

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