南京大學Nature:二維半導體接觸電阻接近量子極限！

• 導讀

由于器件尺寸的不斷擴大，金屬-半導體(M-S)接觸在現代電子學中的作用越來越重要。然而，由于在界面上的零或負肖特基勢壘和無反向散射的波函數對相干性有著極高的要求，使得理想的M-S接觸難以得到。對于范德華(vdW)材料，如過渡金屬二硫屬化物(TMDs)，因為其表面無懸掛鍵，情況更復雜。vdW間隙的存在引入了一個額外的隧道勢壘，減少了電荷注入，使典型R_c值比量子極限高幾個數量級。研究者使用邊緣接觸，低功函數金屬，超高真空蒸發，隧道接觸和半金屬接觸等種種辦法來減少這種“接觸間隙”的影響。相關研究已經將Rc降低到幾百微歐，這與由共價鍵結合組成的M-S結相當，但仍高于M-S結。除肖特基勢壘高度(SBH)及隧道勢壘高度外，M-S軌道雜化對電荷注入效率也有重要影響。由于電極材料間存在dW間隙，金屬-二維半導體的電子波函數雜化耦合較弱，導致金屬-二維半導體接觸穩定性差、接觸電阻高、開態電流密度低，限制了器件性能。因此實現超低接觸電阻具有很大的挑戰，這也是長期以來限制二維半導體高性能晶體管器件的關鍵瓶頸之一。

二、成果掠影

近日，南京大學王欣然教授、施毅教授和東南大學王金蘭教授通過利用強范德華相互作用實現了單層二硫化鉬(MoS₂)和半金屬銻(Sb)(0112)之間的軌道雜化，將接觸電阻推向量子極限。研究者首先使用密度泛函理論(DFT)計算來驗證方法。然后通過高溫蒸鍍工藝在MoS₂上實現了Sb(0112)薄膜的制備，基于該方法，團隊制備了MoS₂晶體管器件，通過測量以MoS₂單晶為通道的場效應晶體管(FETs)來評估電學性質，結果表明其接觸電阻甚至比國際器件與系統路線圖(IRDS) 2028年的目標低了一個數量級。

相關研究工作以“Approaching the quantum limit in two-dimensional semiconductor contacts”為題發表在國際頂級期刊Nature上。

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三、核心創新點

1.通過增強半金屬與二維半導體界面的軌道雜化，制備的Sb?(0112)-MoS₂接觸電阻僅有42Ω·μm，首次低于硅基器件且接近理論量子極限，同時在125℃下也具有出色的穩定性。該成果解決了二維半導體應用于高性能集成電路的關鍵瓶頸之一；

2. 2.Sb(0112)接觸展現出來的優異電學性能、穩定性和后端兼容性證明該技術有望成為二維電子器件的核心技術；

3.進一步制造了大面積的器件陣列，呈現優異的均一特性，有望用于二維半導體的集成規模化制造。

四、數據概覽

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圖1 DFT計算的Sb (0112)-MoS₂和Sb (0001) -MoS₂接觸電阻的電學性質。??2023 Springer Nature Limited

(a-b) Sb (0112)-MoS₂能帶圖，(c-d)E_F附近的電荷密度(左)和Sb(0112)的微分電荷密度(右)，(e-h)參數測量。

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圖2 Sb (0112)-MoS₂接觸電阻的表征。??2023 Springer Nature Limited

(a) MoS₂/Si襯底沉積Sb薄膜的拉曼光譜。(b) 不同沉積條件和基底下Sb膜的XRD θ-2θ衍射圖。（c）?Sb (0112) -MoS₂接觸的橫截面HAADF-STEM圖像。（d） 放大c紅色框中的原子分辨率圖像。（e） 沉積在MoS₂和SiO₂襯底上Sb薄膜的光學顯微鏡圖像。

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圖3 Sb (0112)-MoS₂接觸電阻的電學性能和穩定性。??2023 Springer Nature Limited

(a) L_c范圍為0.1 μm ~ 1.5 μm, Vds = 0.1 V的典型TLM結構的傳輸曲線。(b) 采用TLM法從a中器件中提取的R_c。(c) R_c(紅色方塊)和固有遷移率(黑色菱形)與溫度的關系。(d - f) Sb(0112)和Sb(0001)觸點的R_c (d)、L_T (e)和μ_int?(f)分布。

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圖4 ?短通道MoS₂?FETS性能及基準。??2023 Springer Nature Limited

(a) 場效應晶體管結構的卡通插圖。(b) 典型的L_c?= 20 nm MoS₂場效應晶體管在V_ds?= 100 mV(綠線)、550 mV(藍線)和1 V(紅線)下的傳輸特性。(c) b中同一設備的輸出特性。(d) ?R_c與n_2D的關系。（e）不同文獻中L_c與I_on的關系。（f）不同FETs的L_g與延時時間的關系。

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圖5 Sb (0112)-MoS₂?FETSs的調控性。??2023 Springer Nature Limited

（a）上圖:制備在HfO₂/Si襯底上的TLM陣列的光學顯微鏡圖像。下圖:TLM結構的放大圖。（b – h）通道長度分別為0.1 μm (b)、0.2 μm (c)、0.4 μm (d)、0.6 μm (e)、0.8 μm (f)、1.0 μm (g)和1.5 μm (h)的MoS₂?FETs在V_ds = 1 V下的傳輸特性。（i）對關鍵設備指標進行高斯擬合的箱線圖。

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五、成果啟示

研究克服了MoS₂與半金屬Sb(0112)之間固有的vdW間隙，實現了MoS₂與Sb(0112)之間接近量子極限的電阻接觸。Rc小于共價鍵結合的M-S觸點，低至42 微歐，超越了以化學鍵結合的硅基晶體管接觸電阻，并接近理論量子極限。在直流(脈沖)測量下，短通道MoS₂?FETs可提供1.23 mA μm^?1?(1.54 mA μm^?1)的開電流，開關比超過10⁸，固有延遲為74 fs。這些性能優于Si CMOS技術，滿足了最新的國際器件與系統路線圖的目標。除了n型MoS₂外，研究還拓展了雙極性二硒化鎢(WSe₂)器件的低Rc，這說明Sb(0112)接觸有望成為超越硅的過渡金屬二硫屬化物電子產品的核心技術。

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

本文由張熙熙供稿。

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