集成電路是當(dāng)今信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的基礎(chǔ)和源動(dòng)力，已經(jīng)高度滲透與融合到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的每個(gè)領(lǐng)域。二極管獨(dú)特的整流特性使之成為集成電路中不可或缺的元器件之一。然而，隨著微納器件的發(fā)展，傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料制成的p-n結(jié)二極管無(wú)法滿足集成電路在低功耗、大電流、超高速等方面的要求。

金屬-半導(dǎo)體接觸（肖特基二極管）具有極短的反向恢復(fù)時(shí)間、較低的正向電壓降以及高頻響應(yīng)等特性，有望滿足上述更高的技術(shù)需求。早期的肖特基二極管主要由金屬陽(yáng)極，如Mo、Cr、W和Pt等與n型硅陰極接觸形成。然而，當(dāng)硅基材料逐漸減小至微電子器件的尺寸極限時(shí)，傳統(tǒng)集成電路的設(shè)計(jì)與制造將面臨諸多無(wú)法克服的瓶頸，摩爾定律也無(wú)法延續(xù)下去。

利用有機(jī)半導(dǎo)體分子與金屬接觸形成的肖特基二極管是解決這一難題的一種可行方案，而選擇合適的有機(jī)分子對(duì)增大肖特基二極管正向輸出電流以及減小反向漏電流尤為重要。影響該器件性能的一個(gè)最重要參數(shù)是肖特基勢(shì)壘。較小的肖特基勢(shì)壘會(huì)獲得較大的輸出電流，從而提高其輸出功率，但由于反向漏電流的增加使得器件的熱損耗也同時(shí)增加。反之，較大的肖特基勢(shì)壘會(huì)同時(shí)減小反向漏電流和正向工作電流，雖然降低了器件的熱損耗，但是其輸出功率的降低大大限制了器件的工作效率。

由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)出一種能夠同時(shí)增加正向輸出電流并減小反向漏電流的肖特基二極管具有十分重要的意義。

近期，南京理工大學(xué)材料學(xué)院納米異構(gòu)材料中心劉偉課題組在新一代納米電子器件界面接觸領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。

2019年1月4日，美國(guó)化學(xué)會(huì)刊Journal of the American Chemical Society刊登了該團(tuán)隊(duì)在有機(jī)分子與金屬異質(zhì)結(jié)界面方面的重要成果，論文題目為：Switchable Schottky Contacts: Simultaneously Enhanced Output Current and Reduced Leakage Current。該論文第一作者為博士生蘇桂榮，任吉昌講師和劉偉教授為該論文通訊作者

本工作中作者通過(guò)吸附有機(jī)分子，在金屬表面上同時(shí)獲得穩(wěn)定的物理吸附和化學(xué)吸附狀態(tài)（即雙穩(wěn)態(tài)），而不同的吸附狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致界面處迥異的肖特基勢(shì)壘。

因此，通過(guò)分子在雙穩(wěn)態(tài)之間的轉(zhuǎn)換可以達(dá)到調(diào)控界面肖特基勢(shì)壘的目的。在此基礎(chǔ)上，作者采用分子開(kāi)關(guān)的理念，設(shè)計(jì)出了一系列具有穩(wěn)定化學(xué)吸附態(tài)和物理吸附態(tài)的金屬?有機(jī)界面，從而實(shí)現(xiàn)了同時(shí)提高正向輸出電流、減小反向漏電流的肖特基整流器件。這一研究突破了傳統(tǒng)金屬半導(dǎo)體接觸中單一肖特基勢(shì)壘的缺陷，通過(guò)偏壓調(diào)控肖特基勢(shì)壘高度，為分子整流器件的進(jìn)一步發(fā)展提供了全新的思路。

圖1. 物理和化學(xué)吸附體系的肖特基勢(shì)壘以及調(diào)控機(jī)理

2019年1月28日，JACS再度報(bào)道了劉偉課題組在二維半導(dǎo)體與金屬異質(zhì)結(jié)界面方面的最新進(jìn)展，論文題目為：van der Waals Stacking Induced Transition from Schottky to Ohmic Contacts: 2D Metals on Multilayer InSe。

該論文第一作者為博士生沈濤，李爽副教授和劉偉教授為論文共同通訊作者，論文全部作者皆為劉偉課題組成員。

圖2. InSe層數(shù)變化實(shí)現(xiàn)肖特基接觸到歐姆接觸的轉(zhuǎn)變

隨著納米加工技術(shù)與納米材料制備技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路器件尺寸縮小到納米尺度極限時(shí)，傳統(tǒng)硅器件性能上的延續(xù)將面臨巨大的挑戰(zhàn)。以新材料、新結(jié)構(gòu)和新原理為主要特征的器件設(shè)計(jì)成為納米材料與納米電子科學(xué)的前沿問(wèn)題。

二維層狀材料目前最有望解決硅基材料在芯片發(fā)展過(guò)程中所遇到的尺度瓶頸問(wèn)題，其可以將載流子限制在界面1納米的空間內(nèi)，其本身的單晶屬性確保了器件性能的均一和可靠。特別是近期，二維InSe通過(guò)機(jī)械剝離法被成功制備，其電子遷移率高達(dá)103?cm² V^-1s^-1。并且與黑磷相比，InSe能夠在空氣中穩(wěn)定存在。在電子器件中，InSe的實(shí)際使用需要與金屬電極接觸以實(shí)現(xiàn)載流子的注入。然而，金屬與InSe接觸常常會(huì)形成肖特基勢(shì)壘，從而減小載流子注入效率，增大接觸阻抗，降低器件性能。因此，控制接觸界面的勢(shì)壘高度，設(shè)計(jì)低阻抗的歐姆接觸界面是高性能器件制備的關(guān)鍵之一。

作者利用二維金屬-二維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)有效的克服了釘扎效應(yīng)且接近Schottky-Mott極限，實(shí)現(xiàn)了肖特基勢(shì)壘的有效調(diào)整。更重要的是，InSe層數(shù)的增加引起肖特基到歐姆接觸的轉(zhuǎn)變。

這一材料設(shè)計(jì)理念有效地解決了電子器件中接觸電阻的問(wèn)題。與此同時(shí)，由于接觸界面產(chǎn)生的載流子的耗盡層在原子尺度，這將使得器件的響應(yīng)頻率大大增加。

該工作為低維納米器件普遍存在的接觸問(wèn)題提供了有效的解決方案。該工作為二維金屬材料的設(shè)計(jì)提供了理論支持。

Shen T, Ren J C, Liu X, et al. Van der Waals Stacking Induced Transition from Schottky to Ohmic Contacts: 2D Metals on Multilayer InSe[J]. Journal of the American Chemical Society, 2019.

Su G, Yang S, Li S, et al. Switchable Schottky contacts: Simultaneously enhanced output current and reduced leakage current[J]. Journal of the American Chemical Society, 2019.