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下一代電子技術的發展，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束，但盡管有無數的努力，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合的金屬-半導體結，最好的接觸技術面臨穩定性問題。

在此，來自東南大學的王金蘭&南京大學的施毅&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。相關論文以題為“Approaching the quantum limit in two-dimensional semiconductor contacts”于2023年01月11日發表在Nature上。

由于器件尺寸的不斷擴大，金屬-半導體(M-S)觸點在現代電子學中發揮著重要作用。在理想的M-S結中，通過假設導電模式的彈道傳輸，結的接觸電阻存在一個基本的量子極限：

其中h是普朗克常數，q是單位電荷，n_2D是半導體中的載流子濃度。然而，由于對能級對齊(即零或負肖特基勢壘)和無后向散射的波函數在界面上的相干性的嚴格要求，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R_c值比量子極限高幾個數量級。克服這種“接觸間隙”的嘗試，包括邊緣接觸、低功函數金屬、超高真空蒸發、低能金屬集成、摻雜、隧道接觸以及最近的半金屬接觸。

這些努力已經將R_c降低到幾百歐姆微米，這與由親密化學鍵組成的M-S結相當，但仍高于M-S結(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的電子狀態仍然在vdW間隙中保持弱耦合。為了進一步降低R_c，需要在費米能(E_F)和跨vdW隙處實現M-S能帶的相干雜化。

研究者注意到，這種雜化態在傳導帶和價帶內，在空間上是離域的，與金屬誘導的局域隙態不同。金屬誘導的間隙態源于缺陷，并可能導致不期望的費米能級釘住。

在這里，研究者實現了單層二硫化鉬(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的原子投影帶結構。

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E_F。而對于Sb (0001) -MoS₂，與E_F相交的能帶主要由Sb p和s軌道組成，MoS₂導帶最小值位于E_F上方(圖1b)。

為了找到帶雜化的起源，研究者分析了E_F附近的投射局部態密度(PLDOS)中的軌道人口(圖1e)。可以看出，雖然Sb p_x,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，導通電流為1.23毫安/微米，開/關比超過10⁸，固有延遲為74飛秒。

這些性能優于等效硅互補金屬氧化物半導體技術，滿足了2028年路線圖目標。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/關比、通態電流和跨導的低可變性。優異的電學性能、穩定性和可變性，使銻成為超越硅的過渡金屬二鹵屬化合物電子產品的有前途的接觸技術。

圖1. DFT計算Sb-MoS₂和Sb (0001)-MoS₂觸點的電子性質

圖2. Sb-MoS₂接觸的特征描述

圖3. Sb-MoS₂觸點的電學性能和穩定性

圖4. 短通道MoS₂場效應晶體管性能及基準

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能帶雜化實現了MoS2和半金屬Sb之間的近量子極限電接觸。R_c優于共價鍵結合的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，開關比超過10⁸，固有延遲為74 fs。這些性能優于等效的Si CMOS技術，滿足了2028年路線圖目標。

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R_c，這表明Sb可能是超越Si的基于TMD的電子產品的通用接觸技術。

作者簡介

王金蘭，女，東南大學物理系教授、博士生導師。1999年9月- 2002年1月，在南京大學物理系攻讀凝聚態物理博士研究生并獲博士學位。2006年入選教育部”新世紀優秀人才支持計劃”、江蘇省高校”青藍工程”優秀青年骨干教師培養計劃。2013年獲江蘇省杰出青年科學基金，2015年入選國家杰出青年科學基金， 2016年入選江蘇省”333高層次人才培養工程”第二層次。

王欣然，2004年本科畢業于南京大學，2010年獲美國斯坦福大學物理學博士學位，2010-2011年期間在美國斯坦福大學和伊利諾伊大學香檳分校做博士后研究員。現為南京大學電子科學與工程學院、固體微結構國家重點實驗室教授、博士生導師。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章。
近年主要開展二維材料與信息器件的研究。主持承擔了973、國家科技重大專項、國家自然科學基金面上項目、中港合作項目等。在Science、Nature、Nature子刊發表論文10余篇，引用超過7500次。

施毅，1989年畢業于南京大學，獲博士學位。現為電子科學與工程學院微電子與光電子學系教授、博士生導師，教育部長江學者特聘教授、國家杰出青年基金獲得者、全國寶鋼教育基金優秀教師特等獎獲得者。現任示范性微電子學院院長, 電工電子實驗教學中心主任。
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。主持和承擔了二十多項國家自然科學基金、“973”和“863”等研究課題，包括主持國家重大科學研究計劃“納米研究”項目。發表和合作發表SCI學術論文300余篇，申請/獲得國家發明專利40項。有關研究成果曾榮獲國家自然科學二等獎和國家技術發明三等獎各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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