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乐鱼平台资助大巴黎:杨再兴课题组成功调控了“锑化物低维结构表面态”

发布日期:2023-11-20   点击量:

锑化物具有带隙窄、迁移率高等优点,被认为是实现新一代高性能红外探测器和高速芯片的理想沟道新材料之一。美、日、德等国家竞相开展相关研究,并从2009年起将锑化物半导体和器件列为对我国的出口封锁和垄断技术。后摩尔时代的光电子器件对微型化和高性能的双重高要求开启了“锑化物低维结构与光电器件”研究的新时代,为我们实现换道超车,打破外国在红外探测器和高速芯片领域对我们的垄断和封锁创造了契机。作为典型的低维结构,纳米线的晶体取向性强,尺寸越小其表面原子数占比越高,对外部变量更加灵敏。构筑小直径纳米线全包栅场效应管也被认为是实现新一代光电子逻辑器件的有效途径之一。

由于具有出众的比表面积,锑化物纳米线表面大量的悬空键不仅使得其稳定性差,还会引起严重的表面态,导致表面费米能级钉扎效应,器件中的金-半接触势垒无法通过不同功函数的金属调控,光电子器件的性能不理想。为此,学院杨再兴课题组通过开展表面工程,有效控制了锑化物纳米线表面的大量悬空键,成功调控了表面态,克服了表面费米能级钉扎效应,实现了预期的高性能光电子器件,具体成果如下:

进展一、采用非晶硫族化合物半导体作为钝化壳层,有效控制了锑化物纳米线表面的大量悬空键,解决了构筑核壳纳米线中的晶格适配难题,并通过合理的径向能带对准设计调控了锑化物的光电子特性,相关研究结果发表于Nature Communications(2023, 14, 7480)

构建核壳结构是钝化锑化物纳米线表面态的有效手段之一。然而,晶格匹配极大的阻碍了高质量核壳异质纳米线的构筑。在前期的工作中,利用硫族元素的表面活性剂作用,杨再兴等人成功抑制了锑元素的“趋肤效应”,得到了锑元素分布均匀、直径可控的锑化物纳米线(Nature Communications 2014, 5, 5249)。基于此,利用充当表面活性剂作用的硫族元素作为“纽带”,杨再兴等人在锑化物纳米线表面成功生长出非晶的硫族半导体壳层。采用非晶硫族化合物半导体作为钝化壳层,解决了构筑核壳纳米线中的晶格适配难题。通过优化生长条件,实现了对核壳结构纳米线的组份、直径(壳层厚度)以及表面形貌的调控。成功构筑核壳结构后,锑化物纳米线的表面态得到成功调控,其稳定性显著提升并展示出有趣的光电探测行为。比如,构筑的GaSb/GeS核壳异质纳米线由于具有I类异质结构和非晶的壳层,呈现出独特的波长依赖性双向光电探测能力和可见光辅助增强红外探测性能。该无晶格适配构筑核壳异质纳米线方法的普适性在多种III-V族和II-VI族半导体纳米线中得到验证,比如GaAs/GeS、InGaAs/GeS和CdS/GeS核壳异质结纳米线。相关研究结果以“Lattice-mismatch-free construction of III-V/chalcogenide core-shell heterostructure nanowires”为题于11月18日在线发表在Nature Communications期刊上。学院为论文第一通讯单位,校特别资助类博士后刘风景博士为论文唯一第一作者。

图1. 无晶格失配构筑高质量核壳异质纳米线及其光电探测行为


进展二、通过低温溶液-退火法在锑化物纳米线表面生长氧化铝作为钝化壳层,有效抑制了表面态的电荷陷阱作用,实现了稳定的、优异的栅极调控红外探测性能的光电子器件,相关研究结果发表于Advanced Functional Materials(2023, 33, 2304064

表面态在锑化物纳米线光电子器件中往往充当电荷陷阱,导致器件在偏压、栅压下工作不稳定,阻碍了锑化物纳米线在下一代光电子器件中的实际应用。表面钝化或者修饰可以有效调控表面态,从而优化光电子器件的性能。杨再兴等人首次通过低温溶液-退火法在锑化物纳米线表面生长了厚度可调的氧化铝钝化壳层。低温溶液-退火法易操作、成本低且与现有CMOS工艺兼容。得益于低温溶液-退火法生长的氧化铝壳层的独特双电层效应,锑化物纳米线表面态的电荷陷阱作用得到抑制。相较于纯GaSb纳米线场效应晶体管,生长了氧化铝钝化壳层的GaSb纳米线场效应晶体管的偏压稳定性得到大幅提升,展示出较小的开态电流衰减(<10%)和可忽略的阈值电压移动。当进一步应用到红外探测技术中,器件展现出稳定的、优异的栅极调控红外探测成像及通讯能力。相关研究结果以“Toward high bias-stress stability p-type GaSb nanowire field-effect-transistor for gate-controlled near-infrared photodetection and photocommunication”为题发表于Advanced Functional Materials期刊上。学院为论文第一通讯单位,博士生洒子旭为论文第一排名作者。

图2. 通过低温溶液-退火法调控锑化物纳米线表面态,实现了稳定的栅极调控红外探测性能的光电子器件


进展三、利用自身表面氧化层中可移动氧离子的电荷补偿作用抑制了表面态的电荷陷阱作用,有效提高了锑化物纳米线场效应晶体管的偏压稳定性,进一步验证了锑化物纳米线在未来类脑计算领域的应用潜力,相关研究结果发表于Advanced Science2023, 10, 2302516

Si及其工艺为什么是主流?其中一个原因就是其表面能形成高质量的介电材料SiO2。一般情况下,锑化物纳米线的表面存在着2-5 nm厚度的天然氧化层。这些天然氧化层往往充当着表面电荷陷阱的作用,锑化物纳米线场效应晶体管的偏压稳定性差。本工作中,杨再兴等人在大气中原位退火锑化物纳米线,在纳米线表面氧化出厚度可控的氧化层。得益于退火生成的表面氧化层中可移动氧离子的电荷补偿作用,锑化物纳米线天然氧化层(表面态)的电荷陷阱作用得到抑制。相较于具有天然氧化层的GaSb纳米线场效应晶体管,退火处理的锑化物纳米线场效应晶体管的偏压稳定性得到大幅提升(回滞窗口ΔVth ~ 0.54 V)。退火生成的氧化层中可移动的氧离子也促使锑化物纳米线在未来类脑计算领域展示出优秀的应用潜力:器件结构简单(无需额外介电层、无需设计器件结构)是最大的优点。相关研究结果以“An Amorphous native oxide shell for high bias-stress stability nanowire synaptic transistor”为题发表于Advanced Science期刊上。学院为论文第一通讯单位,校特别资助类博士后庄昕明博士为论文第一排名作者。

图3. 利用自身表面氧化层中可移动氧离子的电荷补偿作用抑制了表面态的电荷陷阱作用,实现了稳定的锑化物纳米线场效应晶体管


进展四、开发出金属辅助转移低维半导体技术,避免了器件制备过程中金属电极原子的“渗透”,克服了表面费米能级钉扎效应,调控了金-半接触势垒,成功构筑出室温高性能红外探测器件,相关研究结果发表于Small (2023, 19, 2306363

在微纳光电子器件中,表面费米能级钉扎效应常常会导致至关重要的金半接触不可调。表面费米能级钉扎效应主要来源于低维半导体的表面态和器件金属电极蒸镀过程中的金属电极原子“渗透”。为了避免器件金属电极蒸镀过程中的金属原子“渗透”,可以将金属电极转移到低维材料上,相反,还可以将低维材料转移到金属电极上。 基于此,在利用低温溶液-退火法和原位退火方法成功调控低维半导体的表面态后,杨再兴等人进一步开发了金属辅助转移低维半导体技术。由于金属对低维材料具有较强的范德华吸引力,因此可以直接将生长出来的低维材料直接转移到预先做好结构的器件上。该方法避免了金属蒸镀过程中的金属原子“渗透”,保留了低维材料完美的表面,避免了表面费米能级钉扎效应,金-半接触势垒可调。因此,通过选择不同功函数的金属做电极,实现了预期的欧姆接触、肖特基接触和非对称电极结构的红外光电探测器件。另外,可以在有需求的衬底上预先做好结构器件,实现柔性以及全向360近红外自驱动光电探测器件。相关研究结果以“Tunable contacts of Bi2O2Se nanosheets MSM photodetectors by metal-assisted transfer approach for self-powered near-infrared photodetection”为题发表在Small期刊上。学院为论文第一通讯单位,博士生王广灿为论文第一排名作者。

图4. 开发出金属辅助转移低维半导体技术,成功构筑出室温高性能红外探测器件


以上研究结果为调控半导体的表面态提供了新思路,为新一代高性能场效应管以及室温高性能红外探测技术的发展奠定了理论基础。感谢香港城市大学何颂贤教授、学院陈峰教授、湖南大学廖蕾教授、东南大学贺龙兵教授、校测试平台宋克鹏教授的悉心指导和大力支持。工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省泰山学者、山东省自然科学基金等项目的支持。


进展一链接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-43323-x

进展二链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202304064

进展三链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202302516

进展四链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202306363





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