Wafer-scale and doping-tunable p-type semiconducting monolayer WSi2N4 film

单层 材料科学 兴奋剂 光电子学 化学气相沉积 半导体 双层 带隙 纳米技术 热稳定性 二硒化钨 接触电阻 电流密度 直接和间接带隙 增长率 调制(音乐) 沉积(地质) 费米能级 基质(水族馆) 电子迁移率
作者
Dayong Yang,Miaomiao Li,Lei Sun,Teng Zhou,Jinmeng Tong,Chen Chen,Wenqin Zhao,Xuanya Liu,Huixuan Wang,Liping Zhao,Hanlin Li,Hui Li,Zhibo Liu,Xiaodong Li,Shiqiao Qin,Mengjian Zhu,Chunqiang Xu,Wencai Ren
出处
期刊:National Science Review [Oxford University Press]
标识
DOI:10.1093/nsr/nwag191
摘要

Abstract Monolayer WSi2N4 has been predicted to be a high-performance p-type semiconductor with high hole mobility, high on-state current density, high strength, and high thermal conductivity. Achieving large-area growth of monolayer WSi2N4 with controlled doping is a prerequisite for the scalable integration of device applications. However, only micrometer-sized monolayer WSi2N4 domains have been synthesized so far. Here, we report the growth of wafer-scale monolayer WSi2N4 films with submillimeter domains by chemical vapor deposition using a liquid Au/W bilayer as the growth substrate, with a growth rate three orders of magnitude higher than previously reported values. This method also enables efficient modulation of carrier doping concentration from 5.8 × 1012 cm−2 to 3.2 × 1013 cm−2 through in-situ defect engineering. This doping-tunable monolayer WSi2N4 exhibits p-type semiconducting characteristics with a bandgap of ~2.25 eV, achieving an on/off current ratio of 5.4 × 104 at low doping level and a high on-state current density (~150 μA μm−1) and a low contact resistance (0.95 kΩ μm) for heavily-doped material. Moreover, it has excellent stability and ultrahigh Young’s modulus (~538 GPa) and strength (~62 GPa). This work paves the way for the applications of monolayer WSi2N4 as a promising p-type channel material in 2D complementary metal-oxide-semiconductor integrated circuits.
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