Implantação de íons de baixa energia permite construção de junção pn lateral 2D

O tamanho do recurso de transistores baseados em silício está se aproximando do limite teórico, o que apresenta requisitos mais altos para a fabricação de semicondutores em nível atômico. A ideia básica da fabricação em nível atômico é processar e manipular assuntos com precisão de nível atômico, o que reduzirá muito o consumo de energia do chip e alcançará um enorme aumento no poder aritmético do chip.

Espera-se que materiais 2D abordem os desafios enfrentados por dispositivos semicondutores tradicionais baseados em silício. A junção pn é a unidade básica de dispositivos optoeletrônicos na era da informação.

Estudos anteriores mostraram que junções pn verticais 2D podem ser preparadas de forma simples, independentemente da incompatibilidade de rede. No entanto, devido à lacuna de van der Waals nas interfaces e às impurezas introduzidas no processo de empilhamento, junções pn verticais 2D reduzirão a mobilidade do portador.

A junção pn lateral 2D pode efetivamente resolver esses problemas. Portanto, como realizar a construção de junção pn lateral 2D de alta qualidade é crucial para a aplicação prática de semicondutores 2D.

A técnica de implantação iônica é um método de dopagem maduro para a construção de junções pn na indústria tradicional de semicondutores, que tem os méritos de concentração e profundidade de dopagem controláveis, elementos de dopagem abundantes, área de dopagem uniforme e processo de dopagem não poluente.

No entanto, devido à alta energia dos íons incidentes (dezenas de keV), a técnica tradicional de implantação de íons causará danos ou até mesmo penetrará nos materiais 2D atomicamente finos durante o processo de implantação, resultando em falha do dispositivo. Portanto, é difícil modular diretamente as propriedades elétricas e ópticas de materiais 2D usando implantação de íons convencional.

Em um artigo publicado em Ciência da Luz e Aplicaçõesuma equipe de cientistas, liderada pelo Professor Xiangheng Xiao da Escola de Física e Tecnologia, Laboratório Principal de Micro e Nanoestruturas Artificiais do Ministério da Educação, Universidade de Wuhan, Wuhan, China, desenvolveu um sistema de implantação de íons de baixa energia para construir homojunção pn lateral 2D.

A técnica de implantação de íons de baixa energia herda as vantagens da técnica tradicional de implantação de íons. Ela tem uma energia de íons mais baixa e profundidade de implantação mais rasa, o que deve resolver o problema de que as técnicas tradicionais de implantação de íons não podem ser aplicadas diretamente para modular o desempenho de materiais 2D.

Embora alguns grupos tenham conduzido pesquisas sobre implantação de íons de baixa energia, eles se concentraram principalmente na caracterização microscópica e modulação de defeitos. Até o momento, há uma falta de pesquisa sobre o uso de implantação de íons de baixa energia para obter dopagem padronizada do tipo p em materiais 2D para reverter completamente seus tipos de condutividade e construir homojunções pn laterais.

Ao modular com precisão a dose de implantação, o tipo de condutividade do WS₂ floco é modulado com sucesso, o que poderia ser convertido de tipo n para bipolar ou mesmo tipo p. A universalidade deste método também é demonstrada estendendo-o para outros semicondutores 2D. Além disso, o fotodetector baseado em WS₂ A homojunção pn lateral exibe capacidade satisfatória de fotodetecção autoalimentada.

Este trabalho fornece um método eficaz para dopagem controlável de materiais 2D e promove a aplicação prática de materiais 2D.

Os autores usaram a técnica de implantação de íons de baixa energia para implantar diretamente íons de nitrogênio no WS de poucas camadas₂e realizou modulação precisa de WS₂ tipo condutor controlando a dose de implantação de íons de nitrogênio de baixa energia.

“Ao aumentar a dose de implantação, o tipo condutor de WS₂ pode ser alterado de tipo n para bipolar ou mesmo tipo p. Na dose de implantação iônica de 1×10¹⁴ íons cm^-2a relação atual de ativação/desativação do N-WS₂ O FET pode atingir 3,9×10⁶. O desempenho do N-WS₂ O FET não se deteriora significativamente após três meses, indicando a estabilidade do método de doping”, disseram os pesquisadores.

“A implantação de íons de nitrogênio de baixa energia foi estendida a outros materiais calcogenetos metálicos bidimensionais típicos do tipo n, como WSe₂MoS₂ e SnS₂“Seus tipos de condutividade foram transformados com sucesso de tipo n para tipo p, demonstrando a universalidade do método”, acrescentaram.

Ao combinar a técnica de implantação de íons de baixa energia com a técnica de litografia, os autores realizaram dopagem padronizada de materiais 2D. O WS₂ a homojunção pn lateral foi fabricada com sucesso.

“A microscopia de força de sonda Kelvin caracteriza que há uma diferença de potencial de superfície óbvia na região da junção e demonstra a viabilidade de construir homojunção pn lateral com dopagem padronizada por este método. A junção pn exibe efeito fotovoltaico significativo sob iluminação e mostra capacidade satisfatória de fotodetecção autoalimentada sob diferentes comprimentos de onda de lasers.”

“Sob iluminação laser de 532 nm a 1,7 mW cm^-2o fotodetector autoalimentado baseado nesta junção pn pode atingir uma tensão de circuito aberto de 0,39 V, responsividade e detectividade de aproximadamente 35 mA W^-1 e 9,8×10¹⁰ “Jones.”

Os pesquisadores dizem: “Este método de dopagem compatível com circuitos integrados mostra um enorme potencial de aplicação na modulação do desempenho de dispositivos semicondutores 2D e fornece uma estratégia confiável para promover a aplicação prática de materiais 2D.”