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二维非挥发性可编程p-n结
半导体p-n结是大部分电子与光电子器件的基石。对于其小型化的需求推动了对二维(2D)材料兴趣的快速增长。然而随着p-n结的厚度接近几纳米，其性能会降低很多，并且像掺杂和注入这样的传统技术在纳米级上会变得无效。在这里，我们报告了在半浮栅场效应晶体晶体管结构中由垂直堆叠的全二维半导体/绝缘体/金属层(WSe2/六方氮化硼/石墨烯)制成的稳定的非挥发性的可编程p-n结。在6.8 nW的光下，这种p-n结具有良好的整流性整流比为104和功率转换效率高达4.1%的光伏性能。基于栅极电压控制的非挥发、可编程属性，二维p-n结已被用于各种不同的电子和光电子应用，例如存储器、光电发电、逻辑整流器和逻辑光电电路。
p-n结在当代半导体电子和光电子学中是一种普遍的结构，用于二极管、整流器、晶体管、发光二极管和光电器件。最近研究表明二维原子晶体是未来集成电路的有望候选材料，比如石墨烯和过渡金属二卤化物。为此，人们一直致力于制造基于原子级的薄构建块p-n结。通常，原子掺杂和表面改性已被用于从空间上控制二维晶体中的载荷子，从而构成p-n结。通过叠加具有不同带电载流子类型的二维层已经证明了异种结构化的p-n结。一些二维半导体具有双极性行为，例如WSe2和黑磷。在这些材料中，主要载流子的种类和密度可以通过外部电场调谐，这使得当栅极电压持续增加时通过耦合多个分裂的局部栅极来确保p-n结的制备。在此我们报道了一种由石墨烯、六角氮化硼和WSe2制成的半浮栅极控制的场效应晶体管。我们阐述了在二维WSe2中通过向控制门施加电压脉冲可以实现和调制高性能非挥发可编程的p-n结。这种设备具备良好的性能并且能够实现在电子和光电子领域的各种应用，如存储器、光伏电池、光电探测器、逻辑整流器和逻辑光电电路。
设备体系结构级电气性能
图1a展示了基于WSe2/h-BN/石墨烯的半浮式栅极场效应晶体管器件的配置。WSe2只有一部分排列在石墨烯薄片上形成SFG-FET器件结构。图1b为典型WSe2/h-BN/石墨烯器件的假彩色扫描电子显微镜图像。这些二维晶体首先由拉曼光谱学得到证实。原子力显微镜进一步表明WSe2/h-BN/石墨烯各自包含三层，20-30层，三层(补充图4).图1c显示了WSe2上的电流电压(ID-VDS)曲线，它几乎是对称的并且电流线性依赖于低压下的偏置电压。
图 1.堆叠的WSe2/h-BN/石墨烯 SFG-FET范德华异质结构。a,WSe2/h-BN/石墨烯 SFG-FET器件配置，其中WSe2作为传输通道，石墨烯为SFG，Si为控制门，h-BN和SiO2为介质。只有部分WSe2在石墨烯上排列形成 SFG-FET设备架构。b，典型制造设备的伪彩色SEM图像。比例尺:5 micro;m。c, 没有任何电压施加在Si上的穿过WSe2的ID-VDS曲线。
图 2.在WSe2/h-BN/石墨烯器件中实现非挥发性WSe2 p-n结。a,在Si上施加 40 V脉冲时穿过WSe2的ID-VDS曲线。插图：沿创建的WSe2 p-n结的能带图。b,在Si上施加不同脉冲时穿过WSe2的ID-VDS曲线。c,在Si上具有正电压的WSe2/h-BN/石墨烯电荷掺杂状态。d,去掉正电压后异质结构的电荷掺杂状态。e,平坦能带图(中间)，施加正电压(左)和电压被移去后(右)。其中，X，E和WGr分别表示石墨烯的电子亲和力，能带和功函数。
在WSe2/h-BN/石墨烯SFG-FET上操纵Si控制门可以产生WSe2 p-n结。图2a显示了在Si控制门上施加电压脉冲为40 V的ID-VDS曲线。与图1c中的ID-VDS曲线对比，它显示了一个明显的整流特性，整流率超过104 (at VDS = plusmn; 1 V)。此外，可以通过改变控制门上的电压脉冲调节整流行为 (VCG,pulse) (图. 2b)。电流整流特性是非挥发性的(补充图5)，但是当石墨烯电气接地时，整流行为将会消失，ID-VDS曲线与施加电压脉冲之前相同，这表明整流特性取决于SFG(补充图.6)。
图 3.用于非挥发性p-n结存储器和逻辑整流器的WSe2/h-BN/石墨烯器件。a,当VDS=plusmn; 1 V时的ID-VDS曲线。b,WSe2使用不同VCG,pluse和VDS值时ID的演变。c,d,通过应用交替VCG, VDS分别为plusmn;1 V和plusmn;40 V的脉冲值，在擦除(lsquo;onrsquo;)和程序(lsquo;offrsquo;)状态之间的切换行为。e,器件在不同状态下的整流行为。f,通过施加plusmn;40 V脉冲值，不同整流状态之间切换行为。蓝色虚线表示输入电压为 2 V，红色虚线表示输入电压为minus;2 V。
二维WSe2通常具有双极性FET特性(补充图.7)，这表明通过耦合不同的栅极电压，在WSe2中都可以实现空穴和电子的掺杂。图.2e的中间部分展示了WSe2/h-BN/石墨烯的平面能带图，这已被我们的实验测量结果所证实。(补充图8-10)。几层的石墨烯是一种工作函数大约在4.6 eV的半金属(参考文献.27)。对于二维WSe2电子亲和力为~4.0 eV，带隙从1.2到1.65 eV，这都取决于层数。然而，h-BN只有很小的电子亲和力(2.0-2.3 eV)和很大的带隙(5.2-5.9 eV)(参考文献29，30)。因此，在石墨烯和WSe2之间的电子和空穴就形成了势垒。当在Si上施加正向电压，由于场效应电子就会积累在WSe2中。与此同时，在石墨烯和WSe2之间就会产生正电势，这使得积累的电子从WSe2隧穿到石墨烯(图.2c和图.2e(左))。消除正向控制的栅极电压后，在WSe2中积累的电子将会消失。但是，由于h-BN的势垒，所以隧穿的电子仍在石墨烯中。这些被捕获的电子将会在石墨烯上的WSe2产生镜像电荷(空穴)，这将会导致在石墨烯上的WSe2形成p型掺杂(图.2d和图.2e(右))。正如在补充图7中所示，WSe2本质上是n型掺杂的。这意味着WSe2的其他部分是n型的。因此，p-n结是沿着WSe2制备的。对于 40 V的电压脉冲，我们估计在石墨烯中大约可以捕获到3.8 times; 1012 cm-2明电子(补充图.11)。进一步调查表明仅有14.9 plusmn; 2.3%被捕获的电荷会在10年后消失(补充图.12)。很明显在石墨烯中捕获的电子在p-n结的制备中起到重要作用。如果石墨烯电气接地，那么被捕获的电荷就会消失。所以，当我们使石墨烯接地时，WSe2的整流特性就会消失(补充图.6)。
p-n结二级管的电传输可以用修正的肖克利方程表示31：
(1)
其中温度为T时热电压为VT=kBT/e。kB，e，I0,W和n分别是玻尔兹曼常数，电荷，反向饱和电流，朗伯W函数和理想因子。RS是与电极/WSe2接触点和掺杂区域相连的串联电阻。通过拟合 ID -VDS 曲线与函数，我们发现p-n结在 40 V脉冲时n=1.83,I0=0.026 fA，RS=6 MOmega;,通过改变电压脉冲可以进一步调制(补充表1)，这表明可以通过增加控制门的电压改善p-n结的质量。对于p-n结而言，n=1意味着输运由扩散过程主导。当n=2时，它便由复合过程主导。在此，大的理想因子表明输运是由复合过程主导而不是扩散过程，可能是因为在WSe2中陷阱态密度很大，从而被当作复合中心19。
我们也研究了当在控制门施加负向电压脉冲时SFG-FET设备的电学行为，结果展示在补充图.13。当在控制门施加反向电压时，空穴积累在WSe2中，在石墨烯和WSe2之间产生负电势，结果导致积累的空穴从WSe2隧穿到石墨烯。在反向电压消除后，在石墨烯中的仍被捕获的空穴会在石墨烯上的部分WSe2产生镜像电荷(电子)。WSe2本质上是n型掺杂。这样产生的电子会使其被电子深度掺杂(n -掺杂)。电子沿的WSe2空间分布差异导致了一个势垒，而ID -VDS曲线表现出反向整流特性。与p-n结不同的是，这里穿过n -n二极管传输的主要是电子载流子(补充图.13)。
连接p-n结存储器和逻辑整流器的设备
图3a展示了在Si控制门上扫描具有正向和反向电压(-40~ 40 V)的SFG-FET装置的转移特性曲线；因为上面讨论的在SFG中电荷的注入和捕获，曲线呈现出很大的滞后，这意味着它可以被开发用作存储器。不同于传统的基于浮栅场效应晶体管(FG-FET)的存储器，SFG-FET设备展示出了独特的特征：它有两个明显的内存窗口，输运曲线中负偏压(VDS=-1 V)与正偏压(VDS= 1 V)相比显示出一种独特的特征。要想操控一个存储器，设备通常通过电压脉冲被编程或擦除，然后读取0 V在控制门上清零重置。所以，我们在这里主要研究右存储窗口，如图.3a所示，0 V在其工作范围内。结果显示VDS=-1 V的存储器相比于VDS= 1 V有更大的擦除编程比。对于FG-FET存储器，比值并不依赖于VDS的方向(参考文献30-33)。在我们的设备中VDS比率与方向相关主要是因为正负电压脉冲分别作用使得成为p-n型和n -n型二极管。它们都显示出了整流行为，这意味着它依赖VDS的方向。因此，存储器的读取不仅仅依赖于VCG,pulse，也取决于漏极与源极之间的电压方向。这表明存储器的读取有两种模式，反向(负)和正向(正)偏压模式(图.3b-d)。图3b展示了SFG-FET存储器的保留性能。在控制门施加-40 V脉冲(脉冲宽度300ms),设备以n -n结形式工作在擦除(lsquo;onrsquo;)状态,然而 40 V脉冲(脉冲宽度300ms)使其成为p-n型二极管工作在编程(lsquo;offrsquo;)状态。当VDS=-1 V时，这个设备具有相当高开
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