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重磅！南京大學(xué)新年首篇Nature！

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下一代電子技術(shù)的發(fā)展，需要將通道材料厚度縮小到二維極限，同時保持超低的接觸電阻。過渡金屬二鹵屬化合物，可以維持晶體管擴展到路線圖的結(jié)束，但盡管有無數(shù)的努力，器件性能仍然受到接觸限制。
特別是，由于固有的范德華間隙，接觸電阻還沒有超過共價結(jié)合的金屬-半導(dǎo)體結(jié)，最好的接觸技術(shù)面臨穩(wěn)定性問題。
在此，來自東南大學(xué)的王金蘭&南京大學(xué)的施毅&王欣然等研究者通過強范德華相互作用使單層二硫化鉬與半金屬銻的能帶雜交，將電接觸推向量子極限。相關(guān)論文以題為“Approaching the quantum limit in two-dimensional semiconductor contacts”于2023年01月11日發(fā)表在Nature上。
重磅！南京大學(xué)新年首篇Nature！
由于器件尺寸的不斷擴大，金屬-半導(dǎo)體(M-S)觸點在現(xiàn)代電子學(xué)中發(fā)揮著重要作用。在理想的M-S結(jié)中，通過假設(shè)導(dǎo)電模式的彈道傳輸，結(jié)的接觸電阻存在一個基本的量子極限：
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其中h是普朗克常數(shù)，q是單位電荷，n2D是半導(dǎo)體中的載流子濃度。然而，由于對能級對齊(即零或負(fù)肖特基勢壘)和無后向散射的波函數(shù)在界面上的相干性的嚴(yán)格要求，這種理想的M-S接觸很少在實驗中得到。
對于范德華(vdW)材料，如過渡金屬二鹵屬化合物(TMDs)，由于其無懸空鍵表面，情況更為復(fù)雜。vdW間隙的存在引入了一個額外的隧道勢壘，并減少了電荷注入，使典型Rc值比量子極限高幾個數(shù)量級。克服這種“接觸間隙”的嘗試，包括邊緣接觸、低功函數(shù)金屬、超高真空蒸發(fā)、低能金屬集成、摻雜、隧道接觸以及最近的半金屬接觸。
這些努力已經(jīng)將Rc降低到幾百歐姆微米，這與由親密化學(xué)鍵組成的M-S結(jié)相當(dāng)，但仍高于M-S結(jié)(例如，摻雜和未摻雜的硅(Si)和氮化鈦(TiN)/氮化鎵(GaN))。除了肖特基勢壘高度(SBH)和隧道勢壘寬度外，M-S軌道雜化對電荷注入效率也有重要影響。
以前的研究的一個主要限制是，即使對于最好的半金屬接觸，M-S的電子狀態(tài)仍然在vdW間隙中保持弱耦合。為了進一步降低Rc，需要在費米能(EF)和跨vdW隙處實現(xiàn)M-S能帶的相干雜化。
研究者注意到，這種雜化態(tài)在傳導(dǎo)帶和價帶內(nèi)，在空間上是離域的，與金屬誘導(dǎo)的局域隙態(tài)不同。金屬誘導(dǎo)的間隙態(tài)源于缺陷，并可能導(dǎo)致不期望的費米能級釘住。
在這里，研究者實現(xiàn)了單層二硫化鉬(MoS2)和半金屬銻(Sb)之間的帶雜交。研究者首先使用密度泛函理論(DFT)計算來驗證了他們的方法。圖1a,b分別顯示了Sb-MoS2和Sb (0001)-MoS2的原子投影帶結(jié)構(gòu)。
對于Sb-MoS2，由鉬(Mo) d軌道和Sb p、s軌道組成的多個雜化帶相交EF。而對于Sb (0001) -MoS2，與EF相交的能帶主要由Sb p和s軌道組成，MoS2導(dǎo)帶最小值位于EF上方(圖1b)。
為了找到帶雜化的起源，研究者分析了EF附近的投射局部態(tài)密度(PLDOS)中的軌道人口(圖1e)。可以看出，雖然Sb px,y軌道具有可比性，但Sb的Sb pz軌道比Sb(0001)大190%，這是由于Sb的原子表面緊密排列(表面Sb原子密度為10.43 nm?2對5.34 nm?2)。
研究表明，觸點具有42歐姆微米的低接觸電阻，在125攝氏度下具有出色的穩(wěn)定性。由于改進了接觸點，短通道二硫化鉬晶體管在1伏漏壓下顯示電流飽和，導(dǎo)通電流為1.23毫安/微米，開/關(guān)比超過108，固有延遲為74飛秒。
這些性能優(yōu)于等效硅互補金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)，滿足了2028年路線圖目標(biāo)。研究者進一步制造了大面積的器件陣列，并展示了接觸電阻、閾值電壓、亞閾值擺動、開/關(guān)比、通態(tài)電流和跨導(dǎo)的低可變性。優(yōu)異的電學(xué)性能、穩(wěn)定性和可變性，使銻成為超越硅的過渡金屬二鹵屬化合物電子產(chǎn)品的有前途的接觸技術(shù)。
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圖1. DFT計算Sb-MoS2和Sb (0001)-MoS2觸點的電子性質(zhì)
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圖2. Sb-MoS2接觸的特征描述
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圖3. Sb-MoS2觸點的電學(xué)性能和穩(wěn)定性
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圖4. 短通道MoS2場效應(yīng)晶體管性能及基準(zhǔn)
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圖5. Sb-MoS2 FETs的變異性
綜上所述，研究者克服了固有的vdW間隙，通過在費米能量上的M-S能帶雜化實現(xiàn)了MoS2和半金屬Sb之間的近量子極限電接觸。Rc優(yōu)于共價鍵結(jié)合的M-S觸點，低至42 Ω μm。
在直流(脈沖)測量下，短通道MoS2 FETs可提供1.23 mA μm?1 (1.54 mA μm?1)的高離子，開關(guān)比超過108，固有延遲為74 fs。這些性能優(yōu)于等效的Si CMOS技術(shù)，滿足了2028年路線圖目標(biāo)。
除了n型MoS2外，研究者還在雙極性二硒化鎢(WSe2)器件中展示了低Rc，這表明Sb可能是超越Si的基于TMD的電子產(chǎn)品的通用接觸技術(shù)。
作者簡介
重磅！南京大學(xué)新年首篇Nature！
王金蘭，女，東南大學(xué)物理系教授、博士生導(dǎo)師。1999年9月- 2002年1月，在南京大學(xué)物理系攻讀凝聚態(tài)物理博士研究生并獲博士學(xué)位。2006年入選教育部”新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃”、江蘇省高校”青藍(lán)工程”優(yōu)秀青年骨干教師培養(yǎng)計劃。2013年獲江蘇省杰出青年科學(xué)基金，2015年入選國家杰出青年科學(xué)基金， 2016年入選江蘇省”333高層次人才培養(yǎng)工程”第二層次。
重磅！南京大學(xué)新年首篇Nature！
王欣然，2004年本科畢業(yè)于南京大學(xué)，2010年獲美國斯坦福大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位，2010-2011年期間在美國斯坦福大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)香檳分校做博士后研究員。現(xiàn)為南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院、固體微結(jié)構(gòu)國家重點實驗室教授、博士生導(dǎo)師。2011年入選國家首批“青年計劃”；2013年獲國家杰出青年基金資助；2014年獲江蘇青年五四獎?wù)隆?br /> 近年主要開展二維材料與信息器件的研究。主持承擔(dān)了973、國家科技重大專項、國家自然科學(xué)基金面上項目、中港合作項目等。在Science、Nature、Nature子刊發(fā)表論文10余篇，引用超過7500次。
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施毅，1989年畢業(yè)于南京大學(xué)，獲博士學(xué)位。現(xiàn)為電子科學(xué)與工程學(xué)院微電子與光電子學(xué)系教授、博士生導(dǎo)師，教育部長江學(xué)者特聘教授、國家杰出青年基金獲得者、全國寶鋼教育基金優(yōu)秀教師特等獎獲得者。現(xiàn)任示范性微電子學(xué)院院長, 電工電子實驗教學(xué)中心主任。
近年主要從事納米電子、光電子材料、物理與器件等科研工作。主持和承擔(dān)了二十多項國家自然科學(xué)基金、“973”和“863”等研究課題，包括主持國家重大科學(xué)研究計劃“納米研究”項目。發(fā)表和合作發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文300余篇，申請/獲得國家發(fā)明專利40項。有關(guān)研究成果曾榮獲國家自然科學(xué)二等獎和國家技術(shù)發(fā)明三等獎各1項，省部級科技進步一等獎1項。
文獻信息
Li, W., Gong, X., Yu, Z.?et al.?Approaching the quantum limit in two-dimensional semiconductor contacts.?Nature?613, 274–279 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05431-4
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05431-4
https://ese.nju.edu.cn/sy/list.htm
https://ese.nju.edu.cn/wxr/list.htm
https://baike.so.com/doc/10038137-10523576.html

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