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黑磷是黑色有金属光泽的晶体，它是用白磷在很高压强和较高温度下转化而形成的。黑磷是一种新型层状结构的直接带隙二维半导体材料，随着层数的减少，其带隙由块体的0.3eV逐渐增大至单层的1.5eV，在此过程中黑磷始终保持直接带隙的特性。这一带隙范围覆盖了光谱中从可见光到中红外光的波段，在远程通讯、传感器、太阳能电池等领域具有广阔的应用前景。
另外，少层黑磷场效应晶体管表现出了优异的电流开关比性能（～105），其空穴迁移率在室温达到了1000cm2/Vs，显示了其在逻辑、开关器件应用领域的巨大潜力。然而，本征的黑磷是一种P型半导体材料，如果要实现黑磷材料的逻辑器件应用，就需要有效调控其导电类型，获得互补N型场效应器件。在传统半导体领域中，调控导电类型可以通过替代原子的方式来完成，而在二维材料中，由于其单层、少层的特性，稳定的面内键合，表面缺少悬挂键等，通过代位原子的方式来调控导电类型的目的极难实现。另外，黑磷在空气中极不稳定，也为器件制作工艺带来了巨大挑战。
针对黑磷的不稳定性、调控导电类型的极具挑战性，中科院高鸿钧研究组王国才等与所美国Vanderbilt大学教授SokratesT.Pantelides等人合作，在实验上首次发现了过曝PMMA覆盖层对黑磷的保护及调控导电类型的作用，实现了黑磷的P型（空穴型）及N型（电子型）分立场效应单元器件，进而将它们集成在一起，构筑了基于黑磷的栅调制二极管、双向整流器与逻辑反相器等一系列平面逻辑器件。
图1.(a)覆盖过曝PMMA的黑磷器件与单纯黑磷器件串联结构示意图。(b)相应器件光学显微镜图片。(c)图(b)中所示电极的对应器件的转移特性曲线。
如图1所示，当过曝PMMA覆盖黑磷场效应晶体管的一部分沟道时，转移特性曲线表明未覆盖部分为空穴主导的导电类型（P型），而覆盖的部分为电子主导的导电类型（N型），证实了过曝PMMA覆盖层对黑磷的掺杂作用，进而通过调控电子束曝光剂量实现了对黑磷导电类型的调控。随后，将P型、N型黑磷晶体管集成在一起构成了黑磷二极管，器件的输出曲线证实了其整流功能，整流比大于100且随着栅压变化而变化。另外，在零偏压时，器件的关断电流在pA/μm的量级，显示了该栅控二极管的低功耗特性（图2）。
图2.（a）黑磷栅控二极管的光学显微镜图片。(b)器件的转移特性曲线。(c)线性坐标系下，在不同背栅电压调控下的输出特性曲线，清晰地显示了其整流作用。(d)对数坐标系下，在不同背栅电压调控下的输出特性曲线。
以上结果表明用过曝PMMA覆盖黑磷器件的不同部分时可以实现黑磷电子导电型晶体管（全覆盖）和栅控二极管（部分覆盖）。而将过曝PMMA条带结构放置在黑磷场效应晶体管导电沟道中，零栅压时器件的输出特性也显示了整流特性，当改变所加偏压的方向时，该器件显示了几乎相同的整流特性，证实了该器件具有双向整流的特性（图3）。这种双向整流特性是由于过曝PMMA覆盖的黑磷部分是电子导电为主，而未覆盖的部分是空穴导电为主，从而在它们接触的地方形成了能量势垒，只有能量大于该势垒的载流子才可以越过势垒，而该器件采用了对称结构，所以可以实现双向整流的特性。
图3.（a）黑磷双向整流器的光学显微镜图片。(b)零栅极电压下，器件的输出特性曲线（红色：对数坐标；蓝色：线性坐标）。(c)器件在不同偏压方向时的输出特性曲线。(d)线性坐标系下，在不同背栅电压调控下的输出特性曲线（插图为相应曲线在对数坐标系下的情形）。
逻辑反相器是实现电路逻辑功能的单元器件，而实现逻辑反相器的关键在于P型、N型分立场效应器件以及对其导电特性的控制。如图4所示，将P型和N型黑磷场效应晶体管集成在一起即可构成黑磷逻辑反相器，器件的输出特性证实了其逻辑反相功能，电流增益达到了0.75。理想逻辑反相器的电流增益是无穷大，这一器件电流增益不大主要是由于背栅同时对P型和N型黑磷场效应晶体管进行调控，无法达到一个完全匹配的状态，如要进一步提高其电流增益，需要使用分立栅极对N型、P型黑磷场效应晶体管的导电特性进行分立操作控制。另外，使用高k介质也是一个可行的选择。
图4.（a）黑磷逻辑反相器的器件示意图。(b)器件的光学显微镜图片。(c)器件中分立n-和p-型场效应晶体管的转移特性曲线。(d)逻辑反相器的输出信号及增益与输入信号间的变化曲线。
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