- 首頁
- 資訊
二維半導(dǎo)體接觸電阻接近量子極限！南大成果再登Nature
來源：南京大學(xué) 2023-01-12
導(dǎo)讀：南京大學(xué)王欣然教授、施毅教授帶領(lǐng)國際合作團(tuán)隊，通過增強(qiáng)半金屬與二維半導(dǎo)體界面的軌道雜化，將單層二維半導(dǎo)體MoS2的接觸電阻降低至42Ω·μm，超越了以化學(xué)鍵結(jié)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(dǎo)體應(yīng)用于高性能集成電路的關(guān)鍵瓶頸之一，以“Approaching the quantum limit in two-dimensional semiconductor contacts”為題，2023年1月11日在線發(fā)表于Nature期刊。
硅基集成電路在過去60多年一直沿著摩爾定律的預(yù)測，朝著更小晶體管尺寸、更高集成度和更高能效的方向發(fā)展。然而，由于量子效應(yīng)和界面效應(yīng)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(tǒng)路線圖（IRDS）預(yù)測，在2nm技術(shù)節(jié)點以下，以MoS2為代表的二維半導(dǎo)體將取代硅成為延續(xù)摩爾定律的新溝道材料。金屬-半導(dǎo)體歐姆接觸是實現(xiàn)高性能晶體管的關(guān)鍵，特別是在先進(jìn)工藝節(jié)點下。傳統(tǒng)硅基器件利用離子注入對接觸區(qū)域進(jìn)行高濃度摻雜，通過接觸與溝道界面的化學(xué)鍵實現(xiàn)歐姆接觸，其接觸電阻約為100Ω·μm。由于原子級厚度，二維半導(dǎo)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(dǎo)體存在天然的范德華間隙，金屬與半導(dǎo)體界面的波函數(shù)雜化耦合較弱，因此實現(xiàn)超低接觸電阻具有很大的挑戰(zhàn)，這也是長期以來限制二維半導(dǎo)體高性能晶體管器件的關(guān)鍵瓶頸之一。面對上述挑戰(zhàn)，合作團(tuán)隊提出了軌道雜化增強(qiáng)的新策略，在單層MoS2晶體管中實現(xiàn)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(tuán)隊首先通過第一性原理計算，在半金屬Sb中發(fā)現(xiàn)了一個特殊的(0112)面，具有較強(qiáng)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(qiáng)的原子軌道重疊，導(dǎo)致金屬-半導(dǎo)體能帶雜化，大幅提升電荷轉(zhuǎn)移和載流子注入效率。進(jìn)一步計算發(fā)現(xiàn)，該策略對于其他過渡金屬硫族化合物半導(dǎo)體（如WS2、MoSe2、WSe2）具有普適性。在實驗上，團(tuán)隊發(fā)展出高溫蒸鍍工藝在MoS2上實現(xiàn)了Sb(0112)薄膜的制備，通過X射線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?；谠摴に?，團(tuán)隊制備了MoS2晶體管器件，發(fā)現(xiàn)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提升作用。大規(guī)模晶體管陣列的統(tǒng)計結(jié)果表明Sb (0112)接觸的各類性能參數(shù)呈現(xiàn)優(yōu)異的均一特性，有望應(yīng)用于二維半導(dǎo)體的集成規(guī)?；圃臁Ｓ捎诮佑|電阻的降低，20nm溝道長度的MoS2晶體管在1V源漏電壓下呈現(xiàn)電流飽和特性，開態(tài)電流高達(dá)1.23mA/μm，比之前的記錄提高近45%，超過了相同節(jié)點的硅基CMOS器件，并滿足IRDS對1nm節(jié)點邏輯器件的性能需求。Sb 0112)接觸展現(xiàn)出來的優(yōu)異電學(xué)性能、穩(wěn)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(xiàn)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、國家重點研發(fā)計劃、江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究專項等資助，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，王欣然教授課題組聚焦二維半導(dǎo)體材料與器件技術(shù)，在大面積單晶材料生長(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。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05431-4
聲明：化學(xué)加刊發(fā)或者轉(zhuǎn)載此文只是出于傳遞、分享更多信息之目的，并不意味認(rèn)同其觀點或證實其描述。若有來源標(biāo)注錯誤或侵犯了您的合法權(quán)益，請作者持權(quán)屬證明與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將及時更正、刪除，謝謝。 電話：18676881059，郵箱：gongjian@huaxuejia.cn
在線客服
快速發(fā)布
我的店鋪
我的化學(xué)加
我的消息
我要充值
回到頂部
