金屬所SMALL：碳納米管插層減弱金屬/半導體費米能級釘扎效應

一、導讀

隨著硅基晶體管逐步逼近物理極限，鍺基、III-V和二維等新材料溝道晶體管研究受到廣泛關注，然而對于這些器件，金屬/半導體界面上的費米能級釘扎效應往往帶來大的接觸電阻，從而降低器件性能。以鍺（Ge）基器件為例，盡管Ge具有明顯高于硅的載流子遷移率，但對于金屬/n-Ge界面處的費米能級幾乎完全釘扎在Ge價帶邊緣附近，從而產生很大的肖特基勢壘高度和接觸電阻，為此，必須調制費米能級釘扎效應。在金屬和Ge之間插入薄層是主要的調制技術之一，然而，在目前已報道的方法中，接觸電阻仍然受到剩余勢壘高度和插入層電阻的限制，同時費米能級釘扎機制也存在著爭議。

二、成果掠影

近日，中國科學院金屬研究所的科研人員提出了一種使用晶圓級碳納米管（CNT）薄膜作為插入層調制金屬/n-鍺費米能級釘扎效應的方法，CNT薄膜在不產生明顯電阻的情況下有效降低了肖特基勢壘高度，從而在金屬和輕摻雜n-Ge之間形成歐姆接觸，并得到了已報道的最小接觸電阻；同時，所制器件還提供了研究釘扎機制的平臺，并表明在該器件中金屬誘導間隙態機制是釘扎的主導機制。研究成果于2022年5月13日在《Small》在線發表，題為“使用碳納米管插層減弱金屬/鍺費米能級釘扎效應（Fermi-level depinning in metal/Ge junctions by inserting a carbon nanotube layer）”。

研究人員采用浮動催化化學氣相沉積（FCCVD）方法，收集了不同厚度的大面積CNT薄膜，并將其轉印至Ge襯底，隨后構筑金屬/碳納米管/鍺堆疊結構（圖1）。電學測試和統計分析結果表明，隨著CNT厚度的增加，該結構閉態漏電流先增加、后減小，并在峰值處取得準歐姆接觸和接近0的肖特基勢壘高度，進而得到在金屬和輕摻雜n-Ge之間最小的接觸電阻（圖2）。研究人員認為，隨著CNT薄膜厚度增加，頂層金屬的金屬誘導間隙態效應和費米能級釘扎減弱，從而使漏電流增大，而當CNT薄膜厚度進一步增加時，薄膜中CNT密度及電子密度也會增加，從而產生新的釘扎效應，導致漏電流減小，這得到了實驗的驗證，即隨著CNT薄膜厚度及密度的增加，CNT/Ge結閉態漏電流逐漸減小（圖3）。基于此方法，研究人員在室溫下制備出了晶圓級二極管陣列，具有4.6×10⁴的高開關比和優異的紅外響應和器件均勻性（圖4）。該技術提供了一種調制金屬/半導體費米能級釘扎的新方法，為發展新型溝道材料晶體管研究做出貢獻。

中科院金屬所博士生魏玉寧為文章的第一作者，孫東明和劉馳為通訊作者。金屬所劉暢團隊制備了碳納米管薄膜，杜金紅研究員和博士生佟博為材料表征提供了支持。該研究計劃得到了國家自然科學基金、中科院先導項目和沈陽材料科學國家研究中心等項目支持。

三、核心創新點

1）使用晶圓級CNT薄膜作為插入層調制金屬/n-鍺費米能級釘扎，在金屬和輕摻雜n-Ge之間形成了歐姆接觸和最小的接觸電阻；

2）為研究費米能級釘扎機制提供平臺，提出在該器件中金屬誘導間隙態機制是釘扎的主要原因。

3）在室溫下制備了晶圓級二極管陣列，避免了離子注入和高溫退火，得到4.6×10⁴的高開關比和優異的紅外響應。

四、數據概覽

圖1. 碳納米管插入層工藝。a.將帶有底部電極的Ge襯底、CNT薄膜和頂部電極堆疊制備Al/CNT/Ge結。b. Al/CNT/Ge結示意圖。c. Al/CNT/Ge結光鏡圖像（比例尺：50 μm）。d. FCCVD方法收集的碳納米管薄膜（標尺：20 mm）。e. 12 nm碳納米管薄膜的SEM圖像（標尺：5 μm）。

圖2. Al/CNT/Ge結的電學特性。a. 器件D1-D12的反向漏電流具有明顯差異。 b. 偏壓為+1V時D1-D12漏電流的統計分析圖。c. 器件D1在224.2-331.0 K變溫測試下的I-V特性。 d. 器件D8在224.2-331.0 K變溫測試下與溫度無關的I-V特性。e. 圓形傳輸線模型結構提取Al/CNT/Ge接觸電阻。 f. 考慮襯底摻雜濃度的接觸電阻性能對比。

圖3. 費米能級釘扎機制驗證。a. CNT/n-Ge結示意圖。b. CNT/n-Ge結光鏡圖像（標尺：50 μm）。c. 不同CNT厚度異質結M1-M5的電流-電壓特性。d. 結M1-M5開、閉態電流值以及CNT插入層厚度對比圖。

圖 4. 光電二極管陣列。a. 2英寸Ge晶圓上CNT薄膜（比例尺：1 cm）。 b. 二極管陣列的光鏡圖像（標尺：200 μm）。c. 由Al/Ge肖特基結和Al/CNT/Ge歐姆結構成的二極管結構圖。d. 二極管陣列在黑暗及1065 nm激光下的特性曲線。

全文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202201840

通訊作者簡介：

孫東明，中科院金屬所研究員，國家杰出青年科學基金獲得者、第十三屆全國人大代表、中國科協第十屆全委。主要從事碳納米管和二維材料等納米電子器件研究，成果發表于Science、Nature Nano.等學術期刊，入選2020年度中國半導體十大研究進展、2021中國光學領域二十大最具社會影響力事件等。

個人主頁：

http://sourcedb.imr.cas.cn/zw/rck/yjy_imr/201309/t20130912_3930406.html

劉馳，中科院金屬所項目研究員，主要從事混合維度異質結構電子器件研究，充分利用不同維度材料的優勢，實現器件性能和功能的提升，成果發表于Nature Commun.、Adv. Mater.以及IEEE EDL和TED等期刊，入選Nature Commun. 2019年最受關注的50篇物理類論文等。

個人主頁：

http://sourcedb.imr.cas.cn/zw/rck/yjy_imr/202205/t20220505_6442552.html