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南京大學團隊在二維半導體領域取得新突破

發布時間:2023-1-17 10:04    發布者:eechina
來源:南京大學

2023年1月11日,南京大學王欣然教授、施毅教授帶領國際合作團隊在全球頂級科研期刊《Nature》上以“Approaching the quantum limit in two-dimensional semiconductor contacts”為題發表研究成果,這是南京大學新年首篇《Nature》。



該科研團隊通過增強半金屬與二維半導體界面的軌道雜化,將單層二維半導體MoS2的接觸電阻降低至42Ω·μm,超越了以化學鍵結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體應用于高性能集成電路的關鍵瓶頸之一。

硅基集成電路在過去60多年一直沿著摩爾定律的預測,朝著更小晶體管尺寸、更高集成度和更高能效的方向發展。然而,由于量子效應和界面效應的限制,硅基器件的微縮化已經接近極限。最新的國際器件與系統路線圖(IRDS)預測,在2nm技術節點以下,以MoS2為代表的二維半導體將取代硅成為延續摩爾定律的新溝道材料。

金屬-半導體歐姆接觸是實現高性能晶體管的關鍵,特別是在先進工藝節點下。傳統硅基器件利用離子注入對接觸區域進行高濃度摻雜,通過接觸與溝道界面的化學鍵實現歐姆接觸,其接觸電阻約為100Ω·μm。由于原子級厚度,二維半導體與高能離子注入工藝不兼容,需要發展全新的歐姆接觸技術。與硅相比,二維半導體存在天然的范德華間隙,金屬與半導體界面的波函數雜化耦合較弱,因此實現超低接觸電阻具有很大的挑戰,這也是長期以來限制二維半導體高性能晶體管器件的關鍵瓶頸之一。

面對上述挑戰,合作團隊提出了軌道雜化增強的新策略,在單層MoS2晶體管中實現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。團隊首先通過第一性原理計算,在半金屬Sb中發現了一個特殊的(0112)面,具有較強的z方向原子軌道分布,即使存在范德華間隙仍然與MoS2具有較強的原子軌道重疊,導致金屬-半導體能帶雜化,大幅提升電荷轉移和載流子注入效率。進一步計算發現,該策略對于其他過渡金屬硫族化合物半導體(如WS2、MoSe2、WSe2)具有普適性。在實驗上,團隊發展出高溫蒸鍍工藝在MoS2上實現了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。

基于該工藝,團隊制備了MoS2晶體管器件,發現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。大規模晶體管陣列的統計結果表明Sb (0112)接觸的各類性能參數呈現優異的均一特性,有望應用于二維半導體的集成規模化制造。由于接觸電阻的降低,20nm溝道長度的MoS2晶體管在1V源漏電壓下呈現電流飽和特性,開態電流高達1.23mA/μm,比之前的記錄提高近45%,超過了相同節點的硅基CMOS器件,并滿足IRDS對1nm節點邏輯器件的性能需求。Sb(0112)接觸展現出來的優異電學性能、穩定性和后端兼容性證明該技術有望成為二維電子器件的核心技術。


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有技術的對比

該工作由南京大學、東南大學、南京工業大學、湖南大學和美國斯坦福大學共同完成。南京大學王欣然教授、施毅教授和東南大學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基金、國家重點研發計劃、江蘇省前沿引領技術基礎研究專項等資助,以及南京大學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體材料與器件技術,在大面積單晶材料生長(Nature Nanotech., 16, 1201 (2021); Nature, 605, 69 (2022))、超薄介質集成(Nature Electron., 2, 563 (2019))、三維異質集成(Nature Nanotech., 16, 1231 (2021))等方向取得多項重要進展,2022年榮獲第四屆“科學探索獎”,并獲批國家自然科學基金創新研究群體項目。
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