近日，Advanced Electronic Materials在线发表了武汉大学物理科学与技术学院肖湘衡教授课题组的最新研究成果。该工作利用离子注入技术在二氧化硅衬底上构筑杂质元素埋层，随后通过化学气相沉积（CVD）工艺成功实现了薄层二维材料的大面积无损精确掺杂，并有效提高了其光响应速率，该掺杂工艺对于实现二维材料的选区掺杂提供了思路。论文题为“A High-speed Photodetector Fabricated with Tungsten-doped MoS₂ by Ion Implantation”。

过渡金属氧化物（TMDCs）由于它们独特的性质如可调带隙、高导电性、高迁移率等被众多领域广泛研究。其中二硫化钼（MoS₂）具有高的开关比、合适的带隙、较强的稳定性被认为是下一代纳米光电子器件的有利竞争者。对半导体实施掺杂或引入缺陷是调控材料电学与光学性能的主要手段，如何实现精确可控的缺陷引入及掺杂是半导体器件研究的重要方向。在硅基逻辑电路中，掺杂操作一般以离子注入方法实现；对于少层二维材料来说，其原子层级的厚度导致常规的离子注入难以实现有效的掺杂；界面分子修饰方法及静电栅极电子注入等掺杂手段也一直存在电荷泄漏、稳定性较差等问题。因此，寻找新的二维材料掺杂方法，实现载流子稳定精确的控制，是拓展二维材料在半导体电子器件领域应用的关键之一。

基于此，研究团队通过对衬底SiO₂先进行W离子注入，在SiO₂层中构筑杂质元素埋层，随后利用化学气相沉积生长MoS₂，­与此同时埋层内的杂质元素会扩散出衬底表面参与反应从而实现掺杂。通过这种方法成功制备出大面积均匀W掺杂的MoS₂薄膜。研究表明，W掺杂后会使MoS₂光电探测器的阈值电压右移，开关比与迁移率略微降低，光响应速率大大提高。进一步分析发现经过W掺杂之后，由于W掺杂对于MoS₂为p型掺杂，将导致MoS₂薄膜空穴浓度增加，电子浓度降低，载流子寿命降低。从而使其费米能级向价带方向移动，并使其导带发生翘曲，这也是其阈值电压偏移、带隙变大与光响应速率加快的原因。该工作为二维材料的掺杂提出了一种新的思路，结合适当的图形化工艺该方法有望实现二维材料的大面积选区掺杂。

图1. W掺杂MoS₂基光电探测器模拟图及光电性能表征

文章链接：https://doi.org/10.1002/aelm.202200281

（通讯员：陈锐）