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黑磷是黑色有金屬光澤的晶體，它是用白磷在很高壓強和較高溫度下轉化而形成的。黑磷是一種新型層狀結構的直接帶隙二維半導體材料，隨著(zhù)層數的減少，其帶隙由塊體的0.3eV逐漸增大至單層的1.5eV，在此過(guò)程中黑磷始終保持直接帶隙的特性。這一帶隙范圍覆蓋了光譜中從可見(jiàn)光到中紅外光的波段，在遠程通訊、傳感器、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。
另外，少層黑磷場(chǎng)效應晶體管表現出了優(yōu)異的電流開(kāi)關(guān)比性能（～105），其空穴遷移率在室溫達到了1000cm2/Vs，顯示了其在邏輯、開(kāi)關(guān)器件應用領(lǐng)域的巨大潛力。然而，本征的黑磷是一種P型半導體材料，如果要實(shí)現黑磷材料的邏輯器件應用，就需要有效調控其導電類(lèi)型，獲得互補N型場(chǎng)效應器件。在傳統半導體領(lǐng)域中，調控導電類(lèi)型可以通過(guò)替代原子的方式來(lái)完成，而在二維材料中，由于其單層、少層的特性，穩定的面內鍵合，表面缺少懸掛鍵等，通過(guò)代位原子的方式來(lái)調控導電類(lèi)型的目的極難實(shí)現。另外，黑磷在空氣中極不穩定，也為器件制作工藝帶來(lái)了巨大挑戰。
針對黑磷的不穩定性、調控導電類(lèi)型的極具挑戰性，中科院高鴻鈞研究組王國才等與所美國Vanderbilt大學(xué)教授SokratesT.Pantelides等人合作，在實(shí)驗上首次發(fā)現了過(guò)曝PMMA覆蓋層對黑磷的保護及調控導電類(lèi)型的作用，實(shí)現了黑磷的P型（空穴型）及N型（電子型）分立場(chǎng)效應單元器件，進(jìn)而將它們集成在一起，構筑了基于黑磷的柵調制二極管、雙向整流器與邏輯反相器等一系列平面邏輯器件。
圖1.(a)覆蓋過(guò)曝PMMA的黑磷器件與單純黑磷器件串聯(lián)結構示意圖。(b)相應器件光學(xué)顯微鏡圖片。(c)圖(b)中所示電極的對應器件的轉移特性曲線(xiàn)。
如圖1所示，當過(guò)曝PMMA覆蓋黑磷場(chǎng)效應晶體管的一部分溝道時(shí)，轉移特性曲線(xiàn)表明未覆蓋部分為空穴主導的導電類(lèi)型（P型），而覆蓋的部分為電子主導的導電類(lèi)型（N型），證實(shí)了過(guò)曝PMMA覆蓋層對黑磷的摻雜作用，進(jìn)而通過(guò)調控電子束曝光劑量實(shí)現了對黑磷導電類(lèi)型的調控。隨后，將P型、N型黑磷晶體管集成在一起構成了黑磷二極管，器件的輸出曲線(xiàn)證實(shí)了其整流功能，整流比大于100且隨著(zhù)柵壓變化而變化。另外，在零偏壓時(shí)，器件的關(guān)斷電流在pA/μm的量級，顯示了該柵控二極管的低功耗特性（圖2）。
圖2.（a）黑磷柵控二極管的光學(xué)顯微鏡圖片。(b)器件的轉移特性曲線(xiàn)。(c)線(xiàn)性坐標系下，在不同背柵電壓調控下的輸出特性曲線(xiàn)，清晰地顯示了其整流作用。(d)對數坐標系下，在不同背柵電壓調控下的輸出特性曲線(xiàn)。
以上結果表明用過(guò)曝PMMA覆蓋黑磷器件的不同部分時(shí)可以實(shí)現黑磷電子導電型晶體管（全覆蓋）和柵控二極管（部分覆蓋）。而將過(guò)曝PMMA條帶結構放置在黑磷場(chǎng)效應晶體管導電溝道中，零柵壓時(shí)器件的輸出特性也顯示了整流特性，當改變所加偏壓的方向時(shí)，該器件顯示了幾乎相同的整流特性，證實(shí)了該器件具有雙向整流的特性（圖3）。這種雙向整流特性是由于過(guò)曝PMMA覆蓋的黑磷部分是電子導電為主，而未覆蓋的部分是空穴導電為主，從而在它們接觸的地方形成了能量勢壘，只有能量大于該勢壘的載流子才可以越過(guò)勢壘，而該器件采用了對稱(chēng)結構，所以可以實(shí)現雙向整流的特性。
圖3.（a）黑磷雙向整流器的光學(xué)顯微鏡圖片。(b)零柵極電壓下，器件的輸出特性曲線(xiàn)（紅色：對數坐標；藍色：線(xiàn)性坐標）。(c)器件在不同偏壓方向時(shí)的輸出特性曲線(xiàn)。(d)線(xiàn)性坐標系下，在不同背柵電壓調控下的輸出特性曲線(xiàn)（插圖為相應曲線(xiàn)在對數坐標系下的情形）。
邏輯反相器是實(shí)現電路邏輯功能的單元器件，而實(shí)現邏輯反相器的關(guān)鍵在于P型、N型分立場(chǎng)效應器件以及對其導電特性的控制。如圖4所示，將P型和N型黑磷場(chǎng)效應晶體管集成在一起即可構成黑磷邏輯反相器，器件的輸出特性證實(shí)了其邏輯反相功能，電流增益達到了0.75。理想邏輯反相器的電流增益是無(wú)窮大，這一器件電流增益不大主要是由于背柵同時(shí)對P型和N型黑磷場(chǎng)效應晶體管進(jìn)行調控，無(wú)法達到一個(gè)完全匹配的狀態(tài)，如要進(jìn)一步提高其電流增益，需要使用分立柵極對N型、P型黑磷場(chǎng)效應晶體管的導電特性進(jìn)行分立操作控制。另外，使用高k介質(zhì)也是一個(gè)可行的選擇。
圖4.（a）黑磷邏輯反相器的器件示意圖。(b)器件的光學(xué)顯微鏡圖片。(c)器件中分立n-和p-型場(chǎng)效應晶體管的轉移特性曲線(xiàn)。(d)邏輯反相器的輸出信號及增益與輸入信號間的變化曲線(xiàn)。
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