德克萨斯大学达拉斯分校ACS Nano: 金属电极接触与钨的二硫属化物界面费米钉扎的起源

一、 【导读】  

Transition metal dichalcogenides （TMDs）因其卓越的电子、光学、力学和磁性性质，在电子、光电子和自旋电子器件的应用方面具有巨大潜力。然而，通过接触电极金属的功函数（Φ）调节肖特基势垒高度（SBH）的失败，严重限制了载流子注入效率，从而限制了基于TMD的器件的电子性能。前沿研究采用了多种策略来缓解费米钉扎效应，并降低源漏接触的接触电阻（R_c），例如使用中间层、材料相工程、表面或化学掺杂以及范德瓦尔斯金属接触等。然而，硅片尺寸的前端和后端制程需要直接进行金属电极沉积从而形成TMD器件，因此直接金属接触沉积对于TMD器件的成功集成至关重要。

近年来，许多研究致力于从不同角度理解费米钉扎的起源。界面化学研究揭示，通过在金属沉积过程中谨慎减少背景气体对TMD基底的冲击速率，可以改善接触性能。此外，通过在金属沉积过程中最小化空气和水接触，可以将接触电阻降低两个数量级以上。这些发现强调了对TMD晶体管加工条件的谨慎控制的重要性。

此外，半导体TMD的性质和质量也会影响金属/TMD界面的性质。TMD的固有缺陷可以引入能隙态，并在剥离后改变TMD的Φ。最近的理论计算预测，金属的吸附位置和方向可以调节TMD上的SBH。这表明金属原子在TMD表面的吸附机制对于调节SBH和实现欧姆接触至关重要。

总之，费米钉扎现象的起源不能仅仅从单一的角度解释。对于特定的金属/TMD界面，费米钉扎效应可能是多种组分的综合作用，不同研究团队报告的离散的接触电阻进一步支持了这一观点。因此，需要进行系统和全面的研究，以了解导致金属/TMD接触费米钉扎的基本的物理和化学缘由。

二、【成果掠影】

近日，德克萨斯大学达拉斯分校的王星录博士, 胡耀乔博士，Kyeongjae Cho教授和Robert Wallace教授通过考虑界面化学、能带对准、TMD材料的杂质与缺陷、接触金属吸附机制与电子结构，阐明了Ni和Ag与W-TMD接触时的费米钉扎起源。在有界面反应的共价接触金属/W-TMD界面，如Ni/W-TMDs，费米钉扎的起源可以归因于缺陷、杂质和界面反应产物。相比之下，对于无界面反应的范德瓦尔斯接触金属/TMD系统，如Ag/W-TMDs，引起费米钉扎的主要因素是缺陷和杂质引起的TMD的电子结构的改变，次要因素是金属诱导的能隙态的形成。这项工作在实验和理论上揭示了金属/TMD界面上费米钉扎的起源，并提供了进一步增强和改善器件性能的建议。相关研究成果以“Origins of Fermi Level Pinning for Ni and Ag Metal Contacts on Tungsten Dichalcogenides”发表在ACS Nano上。

 三、【核心创新点】

1.本文从基础物理化学性质的角度对不同类型金属/TMD接触的界面费米钉扎现象进行了研究。研究发现，费米钉扎是由界面化学、能带对准、TMD材料的杂质与缺陷、接触金属吸附机制与电子结构共同作用导致的。

2.对于不同类型的金属/TMD接触界面，上述因素的权重会发生显著变化。

3.本研究为在TMD材料上通过直接金属沉积实现欧姆接触以达到与当前大规模制造工艺兼容的目标提供了重要启示。

 四、【数据概览】

图1 超高真空（UHV）和高真空（HV）中金属沉积前后的接触金属（Ni和Ag）与W-TMDs之间的界面示意图

图2 接触金属/W-TMDs界面在超高真空（UHV）和高真空（HV）中金属沉积前后的能带对准。能量尺度参照于真空能级。图中还显示了接触类型（共价或范德瓦尔斯）和费米钉扎的主要起源。

图3 扫描隧道显微镜（STM）图像：(a) 带有“凹陷”缺陷的区域；(b) 包含“凹陷”缺陷的高倍率图像；(c) 无缺陷的WS₂表面区域；(d)中曲线为在(c)中沿着蓝色线测得的WS₂的表面起伏，晶格常数为3.17 Å；(e) 局部点缺陷凹陷（紫色）、硫空位（白色）和吸附物/杂质（黑色）；以及(f) STM图像呈现表面吸附物/杂质（黑色）和局部凹陷（紫色）。所有图像均在-0.25 V，1 nA下获得。

图4 (a-d) 单个金属原子吸附在W-TMDs上的示意图，附带吸附能量；(e) 两个金属原子吸附在W-TMDs上的示意图，附带吸附能量和两个吸附原子之间的距离；(f-g) 单个原子吸附在W-TMDs上的态密度（DOS）图；(h-i) 两个吸附原子在W-TMDs上的态密度（DOS）图。

五、【成果启示】

本工作探讨了金属与W-TMDs界面的费米能级钉扎的起源，从界面化学、能带对准、杂质、缺陷、接触金属吸附机制和由此产生的电子结构等方面进行了研究。所有这些因素的不同权重的组合导致了即使使用相同的TMD和接触金属，在文献中也出现了各种不同的接触性能。缺陷、杂质和界面反应产物是共价接触金属/W-TMD界面（如Ni/W-TMDs）上费米钉扎的主要起源。对于范德瓦尔斯接触金属/TMD系统，例如Ag/W-TMDs，TMDs的缺陷和杂质引起的对电子结构的修饰主导了费米钉扎。金属引入的能隙态（MIGS）也会对金属/TMD界面上的费米钉扎做出贡献。金属电极的直接沉积与当前的大规模制造工艺相兼容。这些结果为通过直接金属沉积在TMD材料上实现欧姆金属接触提供了启示。

原文详情：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.