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二维黑磷晶体薄膜首次突破硅基异质外延生长

2020-05-14

黑磷是一种具有高载流子迁移率(1000~10000 cm2V-1s-1)、宽带可调直接带隙(0.3~1.5 eV)和晶体各向异性等优异特性的二维层状半导体材料,在新型信息集成电子和光电子器件领域具有不可替代的应用优势。尽管近年来关于黑磷物性与原型器件的研究受到业界极大的关注,并已取得了多方面重要的进展。然而,由于磷的化学活泼性、与基底不浸润等因素,高质量二维黑磷薄膜在硅等介质衬底上的直接制备一直没有突破,成为其在新型信息光电领域广泛应用的主要瓶颈。

基于上述背景,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张凯研究员与湖南大学潘安练教授、深圳大学张晗教授合作,通过引入Au3SnP7缓冲层作为成核点诱导黑磷在硅基衬底上的成核生长,首次实现了大面积高质量黑磷晶体薄膜在硅基衬底的直接异质外延生长。所生长的黑磷薄膜厚度从几纳米到几百纳米范围内连续可调,具有良好的结晶性和优异的电学性质,室温下的场效应和霍尔迁移率分别超过1200 cm2V-1s-1和1400 cm2V-1s-1,开关比高达106,综合性能与传统机械剥离的黑磷单晶纳米片相当。同时,所生长的黑磷薄膜还表现出优异的红外吸收和光致发光特性。本工作突破了黑磷等高性能二维半导体在硅基直接异质集成的瓶颈,将大大推动新型集成光电器件和信息技术的发展和应用。

硅衬底上高结晶性黑磷薄膜成核与生长过程示意图及相应形貌、结构表征

相关研究成果于2020年3月12日以“Epitaxial nucleation and lateral growth of high-crystalline black phosphorus films on silicon”为题发表在Nature Communications上。徐轶君博士、史鑫尧硕士和张玉双硕士为论文共同第一作者,张凯研究员、潘安练教授和张晗教授为共同通讯作者。

(来源:《半导体学报》微信公众号

 

 



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