Nanoscale 2017年度熱門論文：磷烯晶體管中的范德瓦爾斯型電接觸
【引言】
當溝道長度尺寸接近10 nm時，基于傳統硅材料的金屬-氧化物-半導體場效應管（MOSFET）的尺寸減小將變得極具挑戰。二維材料的原子級厚度利于良好的靜電控制，并且其表面缺少懸掛鍵，可避免界面陷阱的產生，利于電子傳輸。因此，二維材料廣泛認為是另外一種替代硅的潛在材料。在二維材料中，單層和多層黑磷由于其優異的電子性質引起了人們的廣泛關注。與各向同性的石墨烯（零帶隙、高遷移率）和MoS2（大帶隙、中等遷移率）不同，二維的黑磷兼具一個中等、可調的帶隙、高遷移率以及各向異性。最近，二維MoS2的亞10 nm晶體管已經制備出來了。基于二維黑磷的晶體管的溝道目前最短能達到20 nm。相信在不遠的將來，亞10 nm二維BP場效應管可以用類似的方法制備出來。
通常情況下，晶體管中的電接觸是通過在二維半導體表面鍍金屬材料來實現的。隨著晶體管尺寸的縮小，電接觸對器件整體性能的影響越來越大。究其原因，是因為金屬誘導態（MIGS）導致費米能級釘扎，使得二維半導體-金屬界面上往往存在肖特基勢壘。肖特基勢壘會阻礙載流子注入，從而增加接觸電阻、降低器件表現。體金屬材料和磷烯之間的接觸總是存在肖特基勢壘。因此，找到一個能替代傳統體金屬的新電極材料對于提升基于二維材料的亞10 nm晶體管的器件性能十分重要。
【成果簡介】
通過密度泛函理論和第一性原理量子輸運計算，北京大學和北京郵電大學的研究人員研究了不同電接觸對于單層黑磷晶體管性能的影響。他們發現，與體材料Ni電極相比，采用二維石墨烯或硼烯電極的磷烯晶體管表現出了卓越的門控能力，石墨烯插層電極只有很小的提升，而硼氮插層對門控幾乎沒有明顯影響。因此，二維金屬的范德瓦爾斯型電接觸比二維插層/體金屬復合電極更加有利于提升單層磷烯場效應管的表現。石墨烯和硼烯電極對器件性能的提升作用與金屬誘導態的減少以及電極的二維構型有關。
該研究成果近期以題為Black Phosphorus Transistors with Van Der Waals-Type Electrical Contacts發表于Nanoscale, 2017, DOI:10.1039/C7NR03941G，并入選Nanoscale 2017年度熱門論文集（2017 Nanoscale HOT Article Collection）。北京郵電大學屈賀如歌為第一作者，北京大學呂勁教授、北京郵電大學雷鳴教授為通訊作者。該研究成果得到了北京郵電大學信息光子學與光通信國家重點實驗室以及科技部和國家自然科學基金委等的大力支持。
【圖文導讀】
圖1. 單層磷烯以及不同類型電極的優化結構
圖2. 單層磷烯及磷烯與不同電極接觸的能帶結構
圖3. 磷烯及不同電極中的磷原子的分波投影態密度
圖4. 具有體金屬Ni、二維硼烯或石墨烯/金屬Ni復合電極的單層磷烯晶體管模型圖
圖5. 磷烯晶體管在0偏壓0門壓下的輸運性質
(a-e) 器件中單層磷烯的空間投影態密度。
(f)不同電極水平方向的電子、空穴肖特基勢壘。
(g-h)晶體管中孤立的磷烯、金屬以及他們的復合結構的能帶匹配圖。
圖6. 具有不同類型電極的磷烯晶體管電極-溝道界面的能帶匹配圖
圖7. 磷烯晶體管的器件表現
(a-c) 轉移曲線。
(d) 具有不同電極的器件性能比較。
(e-f) 輸出曲線。
圖8. 具有金屬Ni和石墨烯電極的磷烯晶體管的門電極調控能力比較
從電流關態到開態，采用Ni金屬電極的水平肖特基勢壘幾乎沒有變化，而采用石墨烯電機的具有明顯的變化。與之對應，后者的透射譜在偏壓窗口內有更高的透射率，因而開態電流更大。
圖9. 具有石墨烯和石墨烯/Ni復合電極磷烯晶體管的門調控能力比較
電極-溝道界面處（器件圖中的紅色方框）水平方向的肖特基勢壘隨著門壓而變化。采用石墨烯電極的磷烯晶體管中這一水平肖特基勢壘的變化更明顯。
【總結】
通過系統的理論計算，本文預測：對亞10nm磷烯晶體管來說，二維金屬電極是一個比二維材料/體金屬復合電極更好的選擇。
文獻鏈接：Black phosphorus transistors with van der Waals-type electrical contacts （Nanoscale, 2017, DOI: 10.1039/C7NR03941G）
本文由北京郵電大學屈賀如歌博士投稿。
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