新年第一篇！南京大學成果登Nature

　　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。

　　2023年1月11日，南京大學王欣然、施毅及東南大學王金蘭共同通訊在Nature 在線發表題為“Approaching the quantum limit in two-dimensional semiconductor contacts”的研究論文，該研究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化使電接觸接近量子極限。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路線圖目標。該研究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、穩定性和變異性使銻成為超越硅的過渡金屬二鹵屬化合物電子器件的有前途的接觸技術。

　　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。

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)

　　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。

　　注：文章解析參考自南京大學官網介紹。