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來(lái)源：南京大學(xué) 2023年1月11日，南京大學(xué)王欣然教授、施毅教授帶領(lǐng)國際合作團隊在全球頂級科研期刊《Nature》上以“Approaching the quantum limit in two-dimensional semiconductor contacts”為題發(fā)表研究成果，這是南京大學(xué)新年首篇《Nature》。 
該科研團隊通過(guò)增強半金屬與二維半導體界面的軌道雜化，將單層二維半導體MoS2的接觸電阻降低至42Ω·μm，超越了以化學(xué)鍵結合的硅基晶體管接觸電阻，并接近理論量子極限，該成果解決了二維半導體應用于高性能集成電路的關(guān)鍵瓶頸之一。 硅基集成電路在過(guò)去60多年一直沿著(zhù)摩爾定律的預測，朝著(zhù)更小晶體管尺寸、更高集成度和更高能效的方向發(fā)展。然而，由于量子效應和界面效應的限制，硅基器件的微縮化已經(jīng)接近極限。最新的國際器件與系統路線(xiàn)圖（IRDS）預測，在2nm技術(shù)節點(diǎn)以下，以MoS2為代表的二維半導體將取代硅成為延續摩爾定律的新溝道材料。 金屬-半導體歐姆接觸是實(shí)現高性能晶體管的關(guān)鍵，特別是在先進(jìn)工藝節點(diǎn)下。傳統硅基器件利用離子注入對接觸區域進(jìn)行高濃度摻雜，通過(guò)接觸與溝道界面的化學(xué)鍵實(shí)現歐姆接觸，其接觸電阻約為100Ω·μm。由于原子級厚度，二維半導體與高能離子注入工藝不兼容，需要發(fā)展全新的歐姆接觸技術(shù)。與硅相比，二維半導體存在天然的范德華間隙，金屬與半導體界面的波函數雜化耦合較弱，因此實(shí)現超低接觸電阻具有很大的挑戰，這也是長(cháng)期以來(lái)限制二維半導體高性能晶體管器件的關(guān)鍵瓶頸之一。 面對上述挑戰，合作團隊提出了軌道雜化增強的新策略，在單層MoS2晶體管中實(shí)現了目前最低的接觸電阻42Ω·μm，首次低于硅基器件并接近理論量子極限。團隊首先通過(guò)第一性原理計算，在半金屬Sb中發(fā)現了一個(gè)特殊的(0112)面，具有較強的z方向原子軌道分布，即使存在范德華間隙仍然與MoS2具有較強的原子軌道重疊，導致金屬-半導體能帶雜化，大幅提升電荷轉移和載流子注入效率。進(jìn)一步計算發(fā)現，該策略對于其他過(guò)渡金屬硫族化合物半導體（如WS2、MoSe2、WSe2）具有普適性。在實(shí)驗上，團隊發(fā)展出高溫蒸鍍工藝在MoS2上實(shí)現了Sb(0112)薄膜的制備，通過(guò)X射線(xiàn)衍射和掃描透射電子顯微鏡驗證了Sb薄膜的取向，以及與MoS2之間的理想界面。 基于該工藝，團隊制備了MoS2晶體管器件，發(fā)現Sb(0112)面與MoS2的平均接觸電阻比Sb(0001)面低3.47倍，平均電流密度提升38%，充分證明了Sb(0112)接觸對器件性能的顯著(zhù)提升作用。大規模晶體管陣列的統計結果表明Sb (0112)接觸的各類(lèi)性能參數呈現優(yōu)異的均一特性，有望應用于二維半導體的集成規�；圃�。由于接觸電阻的降低，20nm溝道長(cháng)度的MoS2晶體管在1V源漏電壓下呈現電流飽和特性，開(kāi)態(tài)電流高達1.23mA/μm，比之前的記錄提高近45%，超過(guò)了相同節點(diǎn)的硅基CMOS器件，并滿(mǎn)足IRDS對1nm節點(diǎn)邏輯器件的性能需求。Sb(0112)接觸展現出來(lái)的優(yōu)異電學(xué)性能、穩定性和后端兼容性證明該技術(shù)有望成為二維電子器件的核心技術(shù)。
圖1 Sb (0112)-MoS2接觸的能帶雜化理論(a-b)、高分辨STEM原子成像(c)和接觸電阻測量(d-f)
圖2 Sb(0112)-MoS2接觸電阻和器件電流密度與現有技術(shù)的對比 該工作由南京大學(xué)、東南大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、湖南大學(xué)和美國斯坦福大學(xué)共同完成。南京大學(xué)王欣然教授、施毅教授和東南大學(xué)王金蘭教授為論文共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎研究專(zhuān)項等資助，以及南京大學(xué)微制造與集成工藝中心的大力支持。 近年來(lái)，王欣然教授課題組聚焦二維半導體材料與器件技術(shù)，在大面積單晶材料生長(cháng)(Nature Nanotech., 16, 1201 (2021); Nature, 605, 69 (2022))、超薄介質(zhì)集成(Nature Electron., 2, 563 (2019))、三維異質(zhì)集成(Nature Nanotech., 16, 1231 (2021))等方向取得多項重要進(jìn)展，2022年榮獲第四屆“科學(xué)探索獎”，并獲批國家自然科學(xué)基金創(chuàng )新研究群體項目。 |
