德克薩斯大學達拉斯分校ACS Nano: 金屬電極接觸與鎢的二硫屬化物界面費米釘扎的起源

一、?【導讀】 ?

Transition metal dichalcogenides （TMDs）因其卓越的電子、光學、力學和磁性性質，在電子、光電子和自旋電子器件的應用方面具有巨大潛力。然而，通過接觸電極金屬的功函數（Φ）調節肖特基勢壘高度（SBH）的失敗，嚴重限制了載流子注入效率，從而限制了基于TMD的器件的電子性能。前沿研究采用了多種策略來緩解費米釘扎效應，并降低源漏接觸的接觸電阻（R_c），例如使用中間層、材料相工程、表面或化學摻雜以及范德瓦爾斯金屬接觸等。然而，硅片尺寸的前端和后端制程需要直接進行金屬電極沉積從而形成TMD器件，因此直接金屬接觸沉積對于TMD器件的成功集成至關重要。

近年來，許多研究致力于從不同角度理解費米釘扎的起源。界面化學研究揭示，通過在金屬沉積過程中謹慎減少背景氣體對TMD基底的沖擊速率，可以改善接觸性能。此外，通過在金屬沉積過程中最小化空氣和水接觸，可以將接觸電阻降低兩個數量級以上。這些發現強調了對TMD晶體管加工條件的謹慎控制的重要性。

此外，半導體TMD的性質和質量也會影響金屬/TMD界面的性質。TMD的固有缺陷可以引入能隙態，并在剝離后改變TMD的Φ。最近的理論計算預測，金屬的吸附位置和方向可以調節TMD上的SBH。這表明金屬原子在TMD表面的吸附機制對于調節SBH和實現歐姆接觸至關重要。

總之，費米釘扎現象的起源不能僅僅從單一的角度解釋。對于特定的金屬/TMD界面，費米釘扎效應可能是多種組分的綜合作用，不同研究團隊報告的離散的接觸電阻進一步支持了這一觀點。因此，需要進行系統和全面的研究，以了解導致金屬/TMD接觸費米釘扎的基本的物理和化學緣由。

二、【成果掠影】

近日，德克薩斯大學達拉斯分校的王星錄博士,?胡耀喬博士，Kyeongjae Cho教授和Robert Wallace教授通過考慮界面化學、能帶對準、TMD材料的雜質與缺陷、接觸金屬吸附機制與電子結構，闡明了Ni和Ag與W-TMD接觸時的費米釘扎起源。在有界面反應的共價接觸金屬/W-TMD界面，如Ni/W-TMDs，費米釘扎的起源可以歸因于缺陷、雜質和界面反應產物。相比之下，對于無界面反應的范德瓦爾斯接觸金屬/TMD系統，如Ag/W-TMDs，引起費米釘扎的主要因素是缺陷和雜質引起的TMD的電子結構的改變，次要因素是金屬誘導的能隙態的形成。這項工作在實驗和理論上揭示了金屬/TMD界面上費米釘扎的起源，并提供了進一步增強和改善器件性能的建議。相關研究成果以“Origins of Fermi Level Pinning for Ni and Ag Metal Contacts on Tungsten Dichalcogenides”發表在ACS Nano上。

?三、【核心創新點】

1.本文從基礎物理化學性質的角度對不同類型金屬/TMD接觸的界面費米釘扎現象進行了研究。研究發現，費米釘扎是由界面化學、能帶對準、TMD材料的雜質與缺陷、接觸金屬吸附機制與電子結構共同作用導致的。

2.對于不同類型的金屬/TMD接觸界面，上述因素的權重會發生顯著變化。

3.本研究為在TMD材料上通過直接金屬沉積實現歐姆接觸以達到與當前大規模制造工藝兼容的目標提供了重要啟示。

?四、【數據概覽】

圖1?超高真空（UHV）和高真空（HV）中金屬沉積前后的接觸金屬（Ni和Ag）與W-TMDs之間的界面示意圖

圖2 接觸金屬/W-TMDs界面在超高真空（UHV）和高真空（HV）中金屬沉積前后的能帶對準。能量尺度參照于真空能級。圖中還顯示了接觸類型（共價或范德瓦爾斯）和費米釘扎的主要起源。

圖3 掃描隧道顯微鏡（STM）圖像：(a) 帶有“凹陷”缺陷的區域；(b) 包含“凹陷”缺陷的高倍率圖像；(c) 無缺陷的WS₂表面區域；(d)中曲線為在(c)中沿著藍色線測得的WS₂的表面起伏，晶格常數為3.17 ?；(e) 局部點缺陷凹陷（紫色）、硫空位（白色）和吸附物/雜質（黑色）；以及(f) STM圖像呈現表面吸附物/雜質（黑色）和局部凹陷（紫色）。所有圖像均在-0.25 V，1 nA下獲得。

圖4 (a-d) 單個金屬原子吸附在W-TMDs上的示意圖，附帶吸附能量；(e) 兩個金屬原子吸附在W-TMDs上的示意圖，附帶吸附能量和兩個吸附原子之間的距離；(f-g) 單個原子吸附在W-TMDs上的態密度（DOS）圖；(h-i) 兩個吸附原子在W-TMDs上的態密度（DOS）圖。

五、【成果啟示】

本工作探討了金屬與W-TMDs界面的費米能級釘扎的起源，從界面化學、能帶對準、雜質、缺陷、接觸金屬吸附機制和由此產生的電子結構等方面進行了研究。所有這些因素的不同權重的組合導致了即使使用相同的TMD和接觸金屬，在文獻中也出現了各種不同的接觸性能。缺陷、雜質和界面反應產物是共價接觸金屬/W-TMD界面（如Ni/W-TMDs）上費米釘扎的主要起源。對于范德瓦爾斯接觸金屬/TMD系統，例如Ag/W-TMDs，TMDs的缺陷和雜質引起的對電子結構的修飾主導了費米釘扎。金屬引入的能隙態（MIGS）也會對金屬/TMD界面上的費米釘扎做出貢獻。金屬電極的直接沉積與當前的大規模制造工藝相兼容。這些結果為通過直接金屬沉積在TMD材料上實現歐姆金屬接觸提供了啟示。

原文詳情：Xinglu Wang et al., Origins of Fermi Level Pinning for Ni and Ag Metal Contacts on Tungsten Dichalcogenides, ACS Nano, 2023 (DOI: 10.1021/acsnano.3c06494)

本文由作者供稿 Reprinted with permission from Xinglu Wang et al., Origins of Fermi Level Pinning for Ni and Ag Metal Contacts on Tungsten Dichalcogenides, ACS Nano, 2023 (DOI: 10.1021/acsnano.3c06494). Copyright 2023 American Chemical Society.