金属所SMALL：碳纳米管插层减弱金属/半导体费米能级钉扎效应

一、导读

随着硅基晶体管逐步逼近物理极限，锗基、III-V和二维等新材料沟道晶体管研究受到广泛关注，然而对于这些器件，金属/半导体界面上的费米能级钉扎效应往往带来大的接触电阻，从而降低器件性能。以锗（Ge）基器件为例，尽管Ge具有明显高于硅的载流子迁移率，但对于金属/n-Ge界面处的费米能级几乎完全钉扎在Ge价带边缘附近，从而产生很大的肖特基势垒高度和接触电阻，为此，必须调制费米能级钉扎效应。在金属和Ge之间插入薄层是主要的调制技术之一，然而，在目前已报道的方法中，接触电阻仍然受到剩余势垒高度和插入层电阻的限制，同时费米能级钉扎机制也存在着争议。

二、成果掠影

近日，中国科学院金属研究所的科研人员提出了一种使用晶圆级碳纳米管（CNT）薄膜作为插入层调制金属/n-锗费米能级钉扎效应的方法，CNT薄膜在不产生明显电阻的情况下有效降低了肖特基势垒高度，从而在金属和轻掺杂n-Ge之间形成欧姆接触，并得到了已报道的最小接触电阻；同时，所制器件还提供了研究钉扎机制的平台，并表明在该器件中金属诱导间隙态机制是钉扎的主导机制。研究成果于2022年5月13日在《Small》在线发表，题为“使用碳纳米管插层减弱金属/锗费米能级钉扎效应（Fermi-level depinning in metal/Ge junctions by inserting a carbon nanotube layer）”。

研究人员采用浮动催化化学气相沉积（FCCVD）方法，收集了不同厚度的大面积CNT薄膜，并将其转印至Ge衬底，随后构筑金属/碳纳米管/锗堆叠结构（图1）。电学测试和统计分析结果表明，随着CNT厚度的增加，该结构闭态漏电流先增加、后减小，并在峰值处取得准欧姆接触和接近0的肖特基势垒高度，进而得到在金属和轻掺杂n-Ge之间最小的接触电阻（图2）。研究人员认为，随着CNT薄膜厚度增加，顶层金属的金属诱导间隙态效应和费米能级钉扎减弱，从而使漏电流增大，而当CNT薄膜厚度进一步增加时，薄膜中CNT密度及电子密度也会增加，从而产生新的钉扎效应，导致漏电流减小，这得到了实验的验证，即随着CNT薄膜厚度及密度的增加，CNT/Ge结闭态漏电流逐渐减小（图3）。基于此方法，研究人员在室温下制备出了晶圆级二极管阵列，具有4.6×10⁴的高开关比和优异的红外响应和器件均匀性（图4）。该技术提供了一种调制金属/半导体费米能级钉扎的新方法，为发展新型沟道材料晶体管研究做出贡献。

中科院金属所博士生魏玉宁为文章的第一作者，孙东明和刘驰为通讯作者。金属所刘畅团队制备了碳纳米管薄膜，杜金红研究员和博士生佟博为材料表征提供了支持。该研究计划得到了国家自然科学基金、中科院先导项目和沈阳材料科学国家研究中心等项目支持。

三、核心创新点

1）使用晶圆级CNT薄膜作为插入层调制金属/n-锗费米能级钉扎，在金属和轻掺杂n-Ge之间形成了欧姆接触和最小的接触电阻；

2）为研究费米能级钉扎机制提供平台，提出在该器件中金属诱导间隙态机制是钉扎的主要原因。

3）在室温下制备了晶圆级二极管阵列，避免了离子注入和高温退火，得到4.6×10⁴的高开关比和优异的红外响应。

四、数据概览

图1. 碳纳米管插入层工艺。a.将带有底部电极的Ge衬底、CNT薄膜和顶部电极堆叠制备Al/CNT/Ge结。b. Al/CNT/Ge结示意图。c. Al/CNT/Ge结光镜图像（比例尺：50 μm）。d. FCCVD方法收集的碳纳米管薄膜（标尺：20 mm）。e. 12 nm碳纳米管薄膜的SEM图像（标尺：5 μm）。

图2. Al/CNT/Ge结的电学特性。a. 器件D1-D12的反向漏电流具有明显差异。 b. 偏压为+1V时D1-D12漏电流的统计分析图。c. 器件D1在224.2-331.0 K变温测试下的I-V特性。 d. 器件D8在224.2-331.0 K变温测试下与温度无关的I-V特性。e. 圆形传输线模型结构提取Al/CNT/Ge接触电阻。 f. 考虑衬底掺杂浓度的接触电阻性能对比。

图3. 费米能级钉扎机制验证。a. CNT/n-Ge结示意图。b. CNT/n-Ge结光镜图像（标尺：50 μm）。c. 不同CNT厚度异质结M1-M5的电流-电压特性。d. 结M1-M5开、闭态电流值以及CNT插入层厚度对比图。

图 4. 光电二极管阵列。a. 2英寸Ge晶圆上CNT薄膜（比例尺：1 cm）。 b. 二极管阵列的光镜图像（标尺：200 μm）。c. 由Al/Ge肖特基结和Al/CNT/Ge欧姆结构成的二极管结构图。d. 二极管阵列在黑暗及1065 nm激光下的特性曲线。

全文链接：

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

通讯作者简介：

孙东明，中科院金属所研究员，国家杰出青年科学基金获得者、第十三届全国人大代表、中国科协第十届全委。主要从事碳纳米管和二维材料等纳米电子器件研究，成果发表于Science、Nature Nano.等学术期刊，入选2020年度中国半导体十大研究进展、2021中国光学领域二十大最具社会影响力事件等。

个人主页：

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

刘驰，中科院金属所项目研究员，主要从事混合维度异质结构电子器件研究，充分利用不同维度材料的优势，实现器件性能和功能的提升，成果发表于Nature Commun.、Adv. Mater.以及IEEE EDL和TED等期刊，入选Nature Commun. 2019年最受关注的50篇物理类论文等。

个人主页：

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