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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(guó)際合作團(tuán)隊(duì)，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(cè)，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(guó)際器件與系統(tǒng)路線圖（IRDS）預(yù)測(cè)，在2nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)高性能晶體管的關(guān)鍵，特別是在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)下。傳統(tǒng)硅基器件利用離子注入對(duì)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(shí)現(xiàn)歐姆接觸，其接觸電阻約為100Ω·μm。由于原子級(jí)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(shí)現(xiàn)超低接觸電阻具有很大的挑戰(zhàn)，這也是長(zhǎng)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(duì)上述挑戰(zhàn)，合作團(tuán)隊(duì)提出了軌道雜化增強(qiáng)的新策略，在單層MoS2晶體管中實(shí)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(duì)首先通過第一性原理計(jì)算，在半金屬Sb中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)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(jì)算發(fā)現(xiàn)，該策略對(duì)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(shí)驗(yàn)上，團(tuán)隊(duì)發(fā)展出高溫蒸鍍工藝在MoS2上實(shí)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(yàn)證了Sb薄膜的取向，以及與MoS2之間的理想界面。基于該工藝，團(tuán)隊(duì)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(duì)器件性能的顯著提升作用。大規(guī)模晶體管陣列的統(tǒng)計(jì)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)模化制造。由于接觸電阻的降低，20nm溝道長(zhǎng)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(diǎn)的硅基CMOS器件，并滿足IRDS對(duì)1nm節(jié)點(diǎn)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)。

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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(cè)量(d-f)
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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(duì)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(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究專項(xiàng)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(zhǎng)(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(xiàng)重要進(jìn)展，2022年榮獲第四屆“科學(xué)探索獎(jiǎng)”，并獲批國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05431-4



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