南京大学 Nature 二维半导体接触电阻将近量子极限

发布时间：2023-02-01 09:20 所属栏目：15 来源：互联网

导读：硅基集成电路在过去60多年一直沿着摩尔定律的预测，朝着更小晶体管尺寸、更高集成度和更高能效的方向发展。然而，由于量子效应和界面效应的限制，硅基器件的微缩化已经接近极限。最新的国际器件与系统路线图（IRDS）预测，在2nm技术节点以下，以MoS2为代表的

　　硅基集成电路在过去60多年一直沿着摩尔定律的预测，朝着更小晶体管尺寸、更高集成度和更高能效的方向发展。然而，由于量子效应和界面效应的限制，硅基器件的微缩化已经接近极限。最新的国际器件与系统路线图（IRDS）预测，在2nm技术节点以下，以MoS2为代表的二维半导体将取代硅成为延续摩尔定律的新沟道材料。

　　金属-半导体欧姆接触是实现高性能晶体管的关键，特别是在先进工艺节点下。传统硅基器件利用离子注入对接触区域进行高浓度掺杂，通过接触与沟道界面的化学键实现欧姆接触，其接触电阻约为100Ω·μm。由于原子级厚度，二维半导体与高能离子注入工艺不兼容，需要发展全新的欧姆接触技术。与硅相比，二维半导体存在天然的范德华间隙，金属与半导体界面的波函数杂化耦合较弱，因此实现超低接触电阻具有很大的挑战，这也是长期以来限制二维半导体高性能晶体管器件的关键瓶颈之一。

　　面对上述挑战，合作团队提出了轨道杂化增强的新策略，在单层MoS2晶体管中实现了目前最低的接触电阻42Ω·μm，首次低于硅基器件并接近理论量子极限。团队首先通过第一性原理计算，在半金属Sb中发现了一个特殊的(0112)面，具有较强的z方向原子轨道分布，即使存在范德华间隙仍然与MoS2具有较强的原子轨道重叠，导致金属-半导体能带杂化，大幅提升电荷转移和载流子注入效率。进一步计算发现，该策略对于其他过渡金属硫族化合物半导体（如WS2、MoSe2、WSe2）具有普适性。

　　该工作由南京大学、东南大学、南京工业大学、湖南大学和美国斯坦福大学共同完成。南京大学王欣然教授、施毅教授和东南大学王金兰教授为论文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、江苏省前沿引领技术基础研究专项等资助，以及南京大学微制造与集成工艺中心的大力支持。近年来，王欣然教授课题组聚焦二维半导体材料与器件技术，在大面积单晶材料生长(Nature Nanotech., 16, 1201 (2021); Nature, 605, 69 (2022))、超薄介质集成(Nature Electron., 2, 563 (2019))、三维异质集成(Nature Nanotech., 16, 1231 (2021))等方向取得多项重要进展，2022年荣获第四届“科学探索奖”，并获批国家自然科学基金创新研究群体项目。

（编辑：ASP站长网）