重磅！南京大学新年首篇Nature！

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下一代电子技术的发展，需要将通道材料厚度缩小到二维极限，同时保持超低的接触电阻。过渡金属二卤属化合物，可以维持晶体管扩展到路线图的结束，但尽管有无数的努力，器件性能仍然受到接触限制。

特别是，由于固有的范德华间隙，接触电阻还没有超过共价结合的金属-半导体结，最好的接触技术面临稳定性问题。

在此，来自东南大学的王金兰&南京大学的施毅&王欣然等研究者通过强范德华相互作用使单层二硫化钼与半金属锑的能带杂交，将电接触推向量子极限。相关论文以题为“Approaching the quantum limit in two-dimensional semiconductor contacts”于2023年01月11日发表在Nature上。

由于器件尺寸的不断扩大，金属-半导体(M-S)触点在现代电子学中发挥着重要作用。在理想的M-S结中，通过假设导电模式的弹道传输，结的接触电阻存在一个基本的量子极限：

其中h是普朗克常数，q是单位电荷，n_2D是半导体中的载流子浓度。然而，由于对能级对齐(即零或负肖特基势垒)和无后向散射的波函数在界面上的相干性的严格要求，这种理想的M-S接触很少在实验中得到。

对于范德华(vdW)材料，如过渡金属二卤属化合物(TMDs)，由于其无悬空键表面，情况更为复杂。vdW间隙的存在引入了一个额外的隧道势垒，并减少了电荷注入，使典型R_c值比量子极限高几个数量级。克服这种“接触间隙”的尝试，包括边缘接触、低功函数金属、超高真空蒸发、低能金属集成、掺杂、隧道接触以及最近的半金属接触。

这些努力已经将R_c降低到几百欧姆微米，这与由亲密化学键组成的M-S结相当，但仍高于M-S结(例如，掺杂和未掺杂的硅(Si)和氮化钛(TiN)/氮化镓(GaN))。除了肖特基势垒高度(SBH)和隧道势垒宽度外，M-S轨道杂化对电荷注入效率也有重要影响。

以前的研究的一个主要限制是，即使对于最好的半金属接触，M-S的电子状态仍然在vdW间隙中保持弱耦合。为了进一步降低R_c，需要在费米能(E_F)和跨vdW隙处实现M-S能带的相干杂化。

研究者注意到，这种杂化态在传导带和价带内，在空间上是离域的，与金属诱导的局域隙态不同。金属诱导的间隙态源于缺陷，并可能导致不期望的费米能级钉住。

在这里，研究者实现了单层二硫化钼(MoS₂)和半金属锑(Sb)之间的带杂交。研究者首先使用密度泛函理论(DFT)计算来验证了他们的方法。图1a,b分别显示了Sb-MoS₂和Sb (0001)-MoS₂的原子投影带结构。

对于Sb-MoS₂，由钼(Mo) d轨道和Sb p、s轨道组成的多个杂化带相交E_F。而对于Sb (0001) -MoS₂，与E_F相交的能带主要由Sb p和s轨道组成，MoS₂导带最小值位于E_F上方(图1b)。

为了找到带杂化的起源，研究者分析了E_F附近的投射局部态密度(PLDOS)中的轨道人口(图1e)。可以看出，虽然Sb p_x,y轨道具有可比性，但Sb的Sb pz轨道比Sb(0001)大190%，这是由于Sb的原子表面紧密排列(表面Sb原子密度为10.43 nm⁻²对5.34 nm⁻²)。

研究表明，触点具有42欧姆微米的低接触电阻，在125摄氏度下具有出色的稳定性。由于改进了接触点，短通道二硫化钼晶体管在1伏漏压下显示电流饱和，导通电流为1.23毫安/微米，开/关比超过10⁸，固有延迟为74飞秒。

这些性能优于等效硅互补金属氧化物半导体技术，满足了2028年路线图目标。研究者进一步制造了大面积的器件阵列，并展示了接触电阻、阈值电压、亚阈值摆动、开/关比、通态电流和跨导的低可变性。优异的电学性能、稳定性和可变性，使锑成为超越硅的过渡金属二卤属化合物电子产品的有前途的接触技术。

图1. DFT计算Sb-MoS₂和Sb (0001)-MoS₂触点的电子性质

图2. Sb-MoS₂接触的特征描述

图3. Sb-MoS₂触点的电学性能和稳定性

图4. 短通道MoS₂场效应晶体管性能及基准

图5. Sb-MoS₂ FETs的变异性

综上所述，研究者克服了固有的vdW间隙，通过在费米能量上的M-S能带杂化实现了MoS2和半金属Sb之间的近量子极限电接触。R_c优于共价键结合的M-S触点，低至42 Ω μm。

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)的高离子，开关比超过10⁸，固有延迟为74 fs。这些性能优于等效的Si CMOS技术，满足了2028年路线图目标。

除了n型MoS₂外，研究者还在双极性二硒化钨(WSe₂)器件中展示了低R_c，这表明Sb可能是超越Si的基于TMD的电子产品的通用接触技术。

作者简介

王金兰，女，东南大学物理系教授、博士生导师。1999年9月- 2002年1月，在南京大学物理系攻读凝聚态物理博士研究生并获博士学位。2006年入选教育部"新世纪优秀人才支持计划"、江苏省高校"青蓝工程"优秀青年骨干教师培养计划。2013年获江苏省杰出青年科学基金，2015年入选国家杰出青年科学基金， 2016年入选江苏省"333高层次人才培养工程"第二层次。

王欣然，2004年本科毕业于南京大学，2010年获美国斯坦福大学物理学博士学位，2010-2011年期间在美国斯坦福大学和伊利诺伊大学香槟分校做博士后研究员。现为南京大学电子科学与工程学院、固体微结构国家重点实验室教授、博士生导师。2011年入选国家首批“青年计划”；2013年获国家杰出青年基金资助；2014年获江苏青年五四奖章。
近年主要开展二维材料与信息器件的研究。主持承担了973、国家科技重大专项、国家自然科学基金面上项目、中港合作项目等。在Science、Nature、Nature子刊发表论文10余篇，引用超过7500次。

施毅，1989年毕业于南京大学，获博士学位。现为电子科学与工程学院微电子与光电子学系教授、博士生导师，教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年基金获得者、全国宝钢教育基金优秀教师特等奖获得者。现任示范性微电子学院院长, 电工电子实验教学中心主任。
近年主要从事纳米电子、光电子材料、物理与器件等科研工作。主持和承担了二十多项国家自然科学基金、“973”和“863”等研究课题，包括主持国家重大科学研究计划“纳米研究”项目。发表和合作发表SCI学术论文300余篇，申请/获得国家发明专利40项。有关研究成果曾荣获国家自然科学二等奖和国家技术发明三等奖各1项，省部级科技进步一等奖1项。

文献信息

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

原文链接：

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