南京大学Nature:二维半导体接触电阻接近量子极限！

稀、饭 2年前 (2023-01-28) 2595浏览

 

  • 导读

由于器件尺寸的不断扩大，金属-半导体(M-S)接触在现代电子学中的作用越来越重要。然而，由于在界面上的零或负肖特基势垒和无反向散射的波函数对相干性有着极高的要求，使得理想的M-S接触难以得到。对于范德华(vdW)材料，如过渡金属二硫属化物(TMDs)，因为其表面无悬挂键，情况更复杂。vdW间隙的存在引入了一个额外的隧道势垒，减少了电荷注入，使典型Rc值比量子极限高几个数量级。研究者使用边缘接触，低功函数金属，超高真空蒸发，隧道接触和半金属接触等种种办法来减少这种“接触间隙”的影响。相关研究已经将Rc降低到几百微欧，这与由共价键结合组成的M-S结相当，但仍高于M-S结。除肖特基势垒高度(SBH)及隧道势垒高度外，M-S轨道杂化对电荷注入效率也有重要影响。由于电极材料间存在dW间隙，金属-二维半导体的电子波函数杂化耦合较弱，导致金属-二维半导体接触稳定性差、接触电阻高、开态电流密度低，限制了器件性能。因此实现超低接触电阻具有很大的挑战，这也是长期以来限制二维半导体高性能晶体管器件的关键瓶颈之一。

二、成果掠影

近日，南京大学王欣然教授、施毅教授和东南大学王金兰教授通过利用强范德华相互作用实现了单层二硫化钼(MoS2)和半金属锑(Sb)(0112)之间的轨道杂化，将接触电阻推向量子极限。研究者首先使用密度泛函理论(DFT)计算来验证方法。然后通过高温蒸镀工艺在MoS2上实现了Sb(0112)薄膜的制备，基于该方法，团队制备了MoS2晶体管器件，通过测量以MoS2单晶为通道的场效应晶体管(FETs)来评估电学性质，结果表明其接触电阻甚至比国际器件与系统路线图(IRDS) 2028年的目标低了一个数量级。

相关研究工作以“Approaching the quantum limit in two-dimensional semiconductor contacts”为题发表在国际顶级期刊Nature上。

 

 

三、核心创新点

1.通过增强半金属与二维半导体界面的轨道杂化，制备的Sb (0112)-MoS2接触电阻仅有42Ω·μm，首次低于硅基器件且接近理论量子极限，同时在125℃下也具有出色的稳定性。该成果解决了二维半导体应用于高性能集成电路的关键瓶颈之一；

  1. 2.Sb(0112)接触展现出来的优异电学性能、稳定性和后端兼容性证明该技术有望成为二维电子器件的核心技术；

3.进一步制造了大面积的器件阵列，呈现优异的均一特性，有望用于二维半导体的集成规模化制造。

四、数据概览

 

图1 DFT计算的Sb (0112)-MoS2和Sb (0001) -MoS2接触电阻的电学性质。© 2023 Springer Nature Limited

(a-b) Sb (0112)-MoS2能带图，(c-d)EF附近的电荷密度(左)和Sb(0112)的微分电荷密度(右)，(e-h)参数测量。

 

图2 Sb (0112)-MoS2接触电阻的表征。© 2023 Springer Nature Limited

(a) MoS2/Si衬底沉积Sb薄膜的拉曼光谱。(b) 不同沉积条件和基底下Sb膜的XRD θ-2θ衍射图。（c） Sb (0112) -MoS2接触的横截面HAADF-STEM图像。（d） 放大c红色框中的原子分辨率图像。（e） 沉积在MoS2和SiO2衬底上Sb薄膜的光学显微镜图像。

 

图3 Sb (0112)-MoS2接触电阻的电学性能和稳定性。© 2023 Springer Nature Limited

(a) Lc范围为0.1 μm ~ 1.5 μm, Vds = 0.1 V的典型TLM结构的传输曲线。(b) 采用TLM法从a中器件中提取的Rc。(c) Rc(红色方块)和固有迁移率(黑色菱形)与温度的关系。(d - f) Sb(0112)和Sb(0001)触点的Rc (d)、LT (e)和μint (f)分布。

 

图4  短通道MoS2 FETS性能及基准。© 2023 Springer Nature Limited

(a) 场效应晶体管结构的卡通插图。(b) 典型的Lc = 20 nm MoS2场效应晶体管在Vds = 100 mV(绿线)、550 mV(蓝线)和1 V(红线)下的传输特性。(c) b中同一设备的输出特性。(d)  Rc与n2D的关系。（e）不同文献中Lc与Ion的关系。（f）不同FETs的Lg与延时时间的关系。

 

图5 Sb (0112)-MoS2 FETSs的调控性。© 2023 Springer Nature Limited

（a）上图:制备在HfO2/Si衬底上的TLM阵列的光学显微镜图像。下图:TLM结构的放大图。（b – h）通道长度分别为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Vds = 1 V下的传输特性。（i）对关键设备指标进行高斯拟合的箱线图。

 

五、成果启示

研究克服了MoS2与半金属Sb(0112)之间固有的vdW间隙，实现了MoS2与Sb(0112)之间接近量子极限的电阻接触。Rc小于共价键结合的M-S触点，低至42 微欧，超越了以化学键结合的硅基晶体管接触电阻，并接近理论量子极限。在直流(脉冲)测量下，短通道MoS2 FETs可提供1.23 mA μm−1 (1.54 mA μm−1)的开电流，开关比超过108，固有延迟为74 fs。这些性能优于Si CMOS技术，满足了最新的国际器件与系统路线图的目标。除了n型MoS2外，研究还拓展了双极性二硒化钨(WSe2)器件的低Rc，这说明Sb(0112)接触有望成为超越硅的过渡金属二硫属化物电子产品的核心技术。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05431-4

本文由张熙熙供稿。

 

 

 

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