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下一代電子技術(shù)的發(fā)展，需要將通道材料厚度縮小到二維極限，同時(shí)保持超低的接觸電阻。過(guò)渡金屬二鹵屬化合物，可以維持晶體管擴(kuò)展到路線圖的結(jié)束，但盡管有無(wú)數(shù)的努力，器件性能仍然受到接觸限制。

特別是，由于固有的范德華間隙，接觸電阻還沒(méi)有超過(guò)共價(jià)結(jié)合的金屬-半導(dǎo)體結(jié)，最好的接觸技術(shù)面臨穩(wěn)定性問(wèn)題。

在此，來(lái)自東南大學(xué)的王金蘭&南京大學(xué)的施毅&王欣然等研究者通過(guò)強(qiáng)范德華相互作用使單層二硫化鉬與半金屬銻的能帶雜交，將電接觸推向量子極限。相關(guān)論文以題為“Approaching the quantum limit in two-dimensional semiconductor contacts”于2023年01月11日發(fā)表在Nature上。

由于器件尺寸的不斷擴(kuò)大，金屬-半導(dǎo)體(M-S)觸點(diǎn)在現(xiàn)代電子學(xué)中發(fā)揮著重要作用。在理想的M-S結(jié)中，通過(guò)假設(shè)導(dǎo)電模式的彈道傳輸，結(jié)的接觸電阻存在一個(gè)基本的量子極限：

其中h是普朗克常數(shù)，q是單位電荷，n_2D是半導(dǎo)體中的載流子濃度。然而，由于對(duì)能級(jí)對(duì)齊(即零或負(fù)肖特基勢(shì)壘)和無(wú)后向散射的波函數(shù)在界面上的相干性的嚴(yán)格要求，這種理想的M-S接觸很少在實(shí)驗(yàn)中得到。

對(duì)于范德華(vdW)材料，如過(guò)渡金屬二鹵屬化合物(TMDs)，由于其無(wú)懸空鍵表面，情況更為復(fù)雜。vdW間隙的存在引入了一個(gè)額外的隧道勢(shì)壘，并減少了電荷注入，使典型R_c值比量子極限高幾個(gè)數(shù)量級(jí)?？朔@種“接觸間隙”的嘗試，包括邊緣接觸、低功函數(shù)金屬、超高真空蒸發(fā)、低能金屬集成、摻雜、隧道接觸以及最近的半金屬接觸。

這些努力已經(jīng)將R_c降低到幾百歐姆微米，這與由親密化學(xué)鍵組成的M-S結(jié)相當(dāng)，但仍高于M-S結(jié)(例如，摻雜和未摻雜的硅(Si)和氮化鈦(TiN)/氮化鎵(GaN))。除了肖特基勢(shì)壘高度(SBH)和隧道勢(shì)壘寬度外，M-S軌道雜化對(duì)電荷注入效率也有重要影響。

以前的研究的一個(gè)主要限制是，即使對(duì)于最好的半金屬接觸，M-S的電子狀態(tài)仍然在vdW間隙中保持弱耦合。為了進(jìn)一步降低R_c，需要在費(fèi)米能(E_F)和跨vdW隙處實(shí)現(xiàn)M-S能帶的相干雜化。

研究者注意到，這種雜化態(tài)在傳導(dǎo)帶和價(jià)帶內(nèi)，在空間上是離域的，與金屬誘導(dǎo)的局域隙態(tài)不同。金屬誘導(dǎo)的間隙態(tài)源于缺陷，并可能導(dǎo)致不期望的費(fèi)米能級(jí)釘住。

在這里，研究者實(shí)現(xiàn)了單層二硫化鉬(MoS₂)和半金屬銻(Sb)之間的帶雜交。研究者首先使用密度泛函理論(DFT)計(jì)算來(lái)驗(yàn)證了他們的方法。圖1a,b分別顯示了Sb-MoS₂和Sb (0001)-MoS₂的原子投影帶結(jié)構(gòu)。

對(duì)于Sb-MoS₂，由鉬(Mo) d軌道和Sb p、s軌道組成的多個(gè)雜化帶相交E_F。而對(duì)于Sb (0001) -MoS₂，與E_F相交的能帶主要由Sb p和s軌道組成，MoS₂導(dǎo)帶最小值位于E_F上方(圖1b)。

為了找到帶雜化的起源，研究者分析了E_F附近的投射局部態(tài)密度(PLDOS)中的軌道人口(圖1e)。可以看出，雖然Sb p_x,y軌道具有可比性，但Sb的Sb pz軌道比Sb(0001)大190%，這是由于Sb的原子表面緊密排列(表面Sb原子密度為10.43 nm^?2對(duì)5.34 nm^?2)。

研究表明，觸點(diǎn)具有42歐姆微米的低接觸電阻，在125攝氏度下具有出色的穩(wěn)定性。由于改進(jìn)了接觸點(diǎn)，短通道二硫化鉬晶體管在1伏漏壓下顯示電流飽和，導(dǎo)通電流為1.23毫安/微米，開(kāi)/關(guān)比超過(guò)10⁸，固有延遲為74飛秒。

這些性能優(yōu)于等效硅互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)，滿足了2028年路線圖目標(biāo)。研究者進(jìn)一步制造了大面積的器件陣列，并展示了接觸電阻、閾值電壓、亞閾值擺動(dòng)、開(kāi)/關(guān)比、通態(tài)電流和跨導(dǎo)的低可變性。優(yōu)異的電學(xué)性能、穩(wěn)定性和可變性，使銻成為超越硅的過(guò)渡金屬二鹵屬化合物電子產(chǎn)品的有前途的接觸技術(shù)。

圖1. DFT計(jì)算Sb-MoS₂和Sb (0001)-MoS₂觸點(diǎn)的電子性質(zhì)

圖2. Sb-MoS₂接觸的特征描述

圖3. Sb-MoS₂觸點(diǎn)的電學(xué)性能和穩(wěn)定性

圖4. 短通道MoS₂場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能及基準(zhǔn)

圖5. Sb-MoS₂ FETs的變異性

綜上所述，研究者克服了固有的vdW間隙，通過(guò)在費(fèi)米能量上的M-S能帶雜化實(shí)現(xiàn)了MoS2和半金屬Sb之間的近量子極限電接觸。R_c優(yōu)于共價(jià)鍵結(jié)合的M-S觸點(diǎn)，低至42 Ω μm。

在直流(脈沖)測(cè)量下，短通道MoS₂ FETs可提供1.23 mA μm^?1(1.54 mA μm^?1)的高離子，開(kāi)關(guān)比超過(guò)10⁸，固有延遲為74 fs。這些性能優(yōu)于等效的Si CMOS技術(shù)，滿足了2028年路線圖目標(biāo)。

除了n型MoS₂外，研究者還在雙極性二硒化鎢(WSe₂)器件中展示了低R_c，這表明Sb可能是超越Si的基于TMD的電子產(chǎn)品的通用接觸技術(shù)。

作者簡(jiǎn)介

王金蘭，女，東南大學(xué)物理系教授、博士生導(dǎo)師。1999年9月- 2002年1月，在南京大學(xué)物理系攻讀凝聚態(tài)物理博士研究生并獲博士學(xué)位。2006年入選教育部”新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”、江蘇省高校”青藍(lán)工程”優(yōu)秀青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃。2013年獲江蘇省杰出青年科學(xué)基金，2015年入選國(guó)家杰出青年科學(xué)基金， 2016年入選江蘇省”333高層次人才培養(yǎng)工程”第二層次。

王欣然，2004年本科畢業(yè)于南京大學(xué)，2010年獲美國(guó)斯坦福大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位，2010-2011年期間在美國(guó)斯坦福大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)香檳分校做博士后研究員。現(xiàn)為南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博士生導(dǎo)師。2011年入選國(guó)家首批“青年計(jì)劃”；2013年獲國(guó)家杰出青年基金資助；2014年獲江蘇青年五四獎(jiǎng)?wù)隆?br /> 近年主要開(kāi)展二維材料與信息器件的研究。主持承擔(dān)了973、國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中港合作項(xiàng)目等。在Science、Nature、Nature子刊發(fā)表論文10余篇，引用超過(guò)7500次。

施毅，1989年畢業(yè)于南京大學(xué)，獲博士學(xué)位。現(xiàn)為電子科學(xué)與工程學(xué)院微電子與光電子學(xué)系教授、博士生導(dǎo)師，教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授、國(guó)家杰出青年基金獲得者、全國(guó)寶鋼教育基金優(yōu)秀教師特等獎(jiǎng)獲得者。現(xiàn)任示范性微電子學(xué)院院長(zhǎng), 電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心主任。
近年主要從事納米電子、光電子材料、物理與器件等科研工作。主持和承擔(dān)了二十多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金、“973”和“863”等研究課題，包括主持國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃“納米研究”項(xiàng)目。發(fā)表和合作發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文300余篇，申請(qǐng)/獲得國(guó)家發(fā)明專利40項(xiàng)。有關(guān)研究成果曾榮獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)和國(guó)家技術(shù)發(fā)明三等獎(jiǎng)各1項(xiàng)，省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

文獻(xiàn)信息

Li, W., Gong, X., Yu, Z.?et al.?Approaching the quantum limit in two-dimensional semiconductor contacts.?Nature?613, 274–279 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05431-4

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05431-4

https://ese.nju.edu.cn/sy/list.htm

https://ese.nju.edu.cn/wxr/list.htm

https://baike.so.com/doc/10038137-10523576.html

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