Implantatie van ionen met lage energie maakt de constructie van een 2D laterale pn-overgang mogelijk

De feature size van transistoren op basis van silicium nadert de theoretische limiet, wat hogere eisen stelt aan de atomaire productie van halfgeleiders. Het basisidee van atomaire productie is om zaken te verwerken en te manipuleren met atomaire precisie, wat het stroomverbruik van de chip aanzienlijk zal verminderen en een enorme toename van het rekenvermogen van de chip zal bewerkstelligen.

Verwacht wordt dat 2D-materialen de uitdagingen aanpakken waarmee traditionele halfgeleiderapparaten op basis van silicium worden geconfronteerd. De pn-overgang is de basiseenheid van opto-elektronische apparaten in het informatietijdperk.

Eerdere studies hebben aangetoond dat 2D verticale pn-juncties eenvoudig kunnen worden voorbereid, ongeacht roostermismatch. Echter, vanwege de van der Waals-kloof in interfaces en de onzuiverheden die in het stapelproces worden geïntroduceerd, zullen 2D verticale pn-juncties de dragermobiliteit verminderen.

De 2D laterale pn-overgang kan deze problemen effectief oplossen. Daarom is de manier waarop de constructie van een hoogwaardige 2D laterale pn-overgang wordt gerealiseerd cruciaal voor de praktische toepassing van 2D-halfgeleiders.

De ionenimplantatietechniek is een volwassen dopingmethode voor de constructie van pn-overgangen in de traditionele halfgeleiderindustrie. Deze heeft als voordelen dat de dopingconcentratie en -diepte controleerbaar zijn, er veel dopingelementen aanwezig zijn, het dopinggebied uniform is en het dopingproces niet vervuilt.

Echter, vanwege de hoge energie van invallende ionen (tientallen keV), zal de traditionele ionenimplantatietechniek schade veroorzaken of zelfs de atomair dunne 2D-materialen penetreren tijdens het implantatieproces, wat resulteert in apparaatfalen. Daarom is het moeilijk om de elektrische en optische eigenschappen van 2D-materialen direct te moduleren met behulp van conventionele ionenimplantatie.

In een krant gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingeneen team van wetenschappers, onder leiding van professor Xiangheng Xiao van de School of Physics and Technology, Key Lab of Artificial Micro- and Nano-Structures van het Ministerie van Onderwijs, Wuhan University, Wuhan, China, heeft een ionenimplantatiesysteem met lage energie ontwikkeld voor de constructie van 2D laterale pn-homojunctie.

De techniek voor ionenimplantatie met lage energie erft de voordelen van de traditionele ionenimplantatietechniek. Het heeft een lagere ionenenergie en een ondiepere implantatiediepte, wat naar verwachting het probleem zal aanpakken dat traditionele ionenimplantatietechnieken niet direct kunnen worden toegepast om de prestaties van 2D-materialen te moduleren.

Hoewel een paar groepen onderzoek hebben gedaan naar implantatie van ionen met lage energie, hebben ze zich vooral gericht op de microscopische karakterisering en defectmodulatie. Tot op heden is er een gebrek aan onderzoek naar het gebruik van implantatie van ionen met lage energie om gepatroneerde p-type doping op 2D-materialen te bereiken om hun geleidbaarheidstypen volledig om te keren en laterale pn-homojuncties te construeren.

Door de implantatiedosis nauwkeurig te moduleren, wordt het geleidbaarheidstype van de WS₂ flake succesvol gemoduleerd, wat van n-type naar bipolair of zelfs p-type omgezet kon worden. De universaliteit van deze methode wordt ook aangetoond door deze uit te breiden naar andere 2D-halfgeleiders. Bovendien is de fotodetector gebaseerd op WS₂ laterale pn-homojunctie vertoont een bevredigend zelf-aangedreven fotodetectievermogen.

Dit werk biedt een effectieve methode voor controleerbare dotering van 2D-materialen en bevordert de praktische toepassing van 2D-materialen.

De auteurs gebruikten de techniek van ionenimplantatie met lage energie om stikstofionen rechtstreeks in de WS met enkele lagen te implanteren₂en realiseerde een nauwkeurige modulatie van WS₂ geleidend type door de implantatiedosis van stikstofionen met lage energie te regelen.

“Door de implantatiedosis te verhogen, wordt het geleidende type WS₂ kan worden veranderd van n-type naar bipolair- of zelfs p-type. Bij de ionenimplantatiedosis van 1×10¹⁴ ionen cm^-2de huidige aan/uit-verhouding van N-WS₂ FET kan 3,9×10 bereiken⁶De prestaties van N-WS₂ “FET verslechtert niet significant na drie maanden, wat aangeeft dat de dopingmethode stabiel is”, aldus de onderzoekers.

“De implantatie van stikstofionen met lage energie is uitgebreid naar andere typische n-type tweedimensionale metaalchalcogenidenmaterialen, zoals WSe₂MoS₂ en SnS₂“Hun geleidbaarheidstypen werden succesvol getransformeerd van n-type naar p-type, wat de universaliteit van de methode aantoont”, voegden ze toe.

Door de lage-energie-ionenimplantatietechniek te combineren met de lithografietechniek, realiseerden de auteurs een gepatroneerde doping van 2D-materialen. De WS₂ laterale pn-homojunctie werd succesvol gefabriceerd.

“Kelvin-sondekrachtmicroscopie kenmerkt dat er een duidelijk oppervlaktepotentiaalverschil is in het junctiegebied, en toont de haalbaarheid van het construeren van laterale pn-homojunctie met patroondotering door deze methode. De pn-junctie vertoont een significant fotovoltaïsch effect onder belichting, en toont een bevredigend zelfaangedreven fotodetectievermogen onder verschillende golflengtelasers.”

“Onder 532-nm laserbelichting bij 1,7 mW cm^-2de zelfvoorzienende fotodetector op basis van deze pn-overgang kan een open-circuitspanning van 0,39 V bereiken, responsiviteit en detectiviteit van ongeveer 35 mA W^-1 en 9,8×10¹⁰ “Jansen.”

De onderzoekers zeggen: “Deze dopingmethode die compatibel is met geïntegreerde schakelingen, toont een enorm toepassingspotentieel voor het moduleren van de prestaties van 2D-halfgeleiderapparaten en biedt een betrouwbare strategie voor het bevorderen van de praktische toepassing van 2D-materialen.”