物质学院薛加民组利用新方法实现半导体器件能带结构原位观测

ON2021-11-01文章来源 物质科学与技术学院CATEGORY新闻

近日,上海十博体育软件下载大学物质学院薛加民课题组利用自主发展的接触式扫描隧道显微镜(CMSTM)技术,简单高效地实现了半导体异质结器件能带的原位测量。这对人们进一步理解异质结中的一些新奇现象具有重要帮助。该成果发表于知名学术期刊ACS Nano

半导体器件的能带结构是决定其性能的关键因素。从第一个半导体三极管发明以来,七十多年间,研究人员一直利用能带结构图来解释和预测器件的功能。然而这些能带结构图通常都是基于理论计算或定性推测。由于缺乏合适的实验手段,其直接测量一直有着很大挑战。虽然从原理上看扫描隧道显微镜(STM)具有探测材料能带结构的能力,然而受限于其工作方式,传统STM对于尺寸在微纳米级别、工作在室温下的半导体器件往往无能为力。

在本项工作中,研究人员改变了传统STM的工作方式,利用高质量绝缘材料氮化硼(hBN)来代替STM中的真空隧穿层,将探针和样品之间的接触力作为反馈机制,简化了扫描隧道显微镜的要求,获得了非常高的稳定性和灵活性,实现了室温下的器件能带测量。


左图:CMSTM方法的示意图。它基于导电原子力显微镜方法,可以在室温大气下对器件进行研究。右图:利用CMSTM测量到的MoS2/WSe2异质结器件的能带结构图,MoS2在接触到WSe2之后发生了显著的电荷转移,从而导致其能带上移了0.5 eV。其掺杂类型也从天然的电子型转变为空穴型。由此可见CMSTM能得到工作状态下器件的纳米级空间分辨和0.1 eV级能量分辨的能带结构。


实现的关键在于探针与样品之间的高质量纳米级厚度的隧穿层。常见的三维绝缘材料在厚度达到纳米级别后会出现很多问题,而该方法选用了二维绝缘材料氮化硼(hBN),为实现高质量隧穿提供了基础。

如此巨大的变化在此前的诸多研究中只能通过间接的手段进行推测,而本研究首次在实空间中对一个工作状态下的器件直接进行了探测。这项工作将为人们理解半导体异质结器件的能带结构与器件电子学性质之间的关系提供新的思路。

薛加民课题组博士研究生孙新祚为论文第一作者。该研究由上科大、日本国立材料研究所(NIMS)、湖南大学、中科院上海技术物理研究所等多家单位合作,得到了十博体育软件下载部重点研发计划、国家自然科学基金、中科院先导项目等经费的支持。器件加工与测量得到了上海十博体育软件下载大学软纳米平台、分析测试中心各位老师的大力协助。

论文链接:http://doi.org/10.1021/acsnano.1c05491