II-VI族纳米结构高效表面电荷转移掺杂及其光电子器件的研究

II-VI group semiconductor nanostructures show extraordinary optoelectronic properties. However, their wide applications in optoelectronic devices are limited by the unipolar characteristics of the materials, which make the complementary doping extremely difficult. Alternatively, surface charge transfer doping has been emerging as a simple yet efficient technique to achieve reliable doping in a nondestructive manner, which can modulate the carrier concentration by injecting or extracting the carrier charges between the surface dopant and semiconductor due to the work function difference. In this project, we will systematically investigate the surface charge transfer doping in II-VI group semiconductor nanostructures toward the fabrication of high-performance electronic and optoelectronic devices. The complementary n- and p-type doping will be achieved by using various surface dopants. The electronic and optoelectronic properties of the II-VI nanostructures will be rationally controlled by controlling the doping concentration. Mechanisms for surface charge transfer doping will be explored by using advanced surface characterization techniques. Furthermore, complementary logic circuits, and p-n homojunctions will be constructed toward the realization of high-performance electronic and optoelectronic devices. This project will be important in promoting the devices applications of II-VI group semiconductor nanostructures.

II-VI族非氧化物纳米结构具有优异的光电性能，但受制于材料单极性导电及互补掺杂难以实现等因素，其应用面临很大阻碍。表面电荷转移掺杂利用掺杂剂与半导体之间的自发电荷转移实现掺杂，具有高效、无损、高空间选择性等特点，有望突破传统体掺杂的限制，为II-VI族半导体的应用带来曙光。本项目拟在初步实现II-VI族纳米结构表面掺杂的基础上，以器件应用为导向，系统开展表面电荷转移互补掺杂以及高性能纳米光电子器件的研究。利用多种表面掺杂剂，实现纳米结构互补P/N型掺杂，通过控制掺杂量调控纳米结构的光电特性，并结合先进表界面表征技术与理论计算，理解表面电荷转移的深层机理。在此基础上，利用表面掺杂优异空间选择性和不引入杂质缺陷的特点，构筑互补逻辑电路、同质结光伏和发光器件等高性能纳米电子、光电子器件。本项目的开展，对于促进II-VI族半导体纳米结构在光电子器件方面的应用具有重要意义。

II-VI族半导体纳米结构具有优异的光电特性，是构筑高性能纳米光电子器件的理想材料体系，对其表界面性能的调控是发展其器件应用的重要因素之一。在本项目的支持下，我们在II-VI族纳米结构的表面性能调控、高性能光电器件的构筑等方面都取得重要进展：通过高功函MoO3和强还原性分子BV等表面掺杂剂对II-VI族半导体纳米结构进行表面修饰，简单高效地调节了材料的电学和光学特性。同时，我们通过控制掺杂剂的浓度，在9个数量级的范围内调控了材料的电导率，实现了材料从绝缘体到半导体到导体的转变。我们进一步利用掺杂后的纳米结构构筑了阻变存储器，并成功调控了器件工作电流和功耗。此外，我们将钙钛矿纳米晶材料包覆在II-VI族半导体纳米结构表面，基于钙钛矿材料中缺陷对电荷的存储效应实现了高性能浮栅存储器的制备。为了解决微纳器件难以探测极弱光的问题，我们率先提出了一种基于II-VI族半导体纳米结构的新型存储型弱光探测器，利用纳米结构表面态产生的光生载流子存储累积效应，通过延长光照时间提高了器件的弱光探测能力。我们的工作研究了纳米结构表面性能调控及器件构筑方法，推动了II-VI族纳米结构在纳米光电子领域的应用。