科學家攻克二維半導體歐姆接觸難題

1月11日，南京大學教授王欣然、施毅帶領國際合作團隊在《自然》上以《二維半導體接觸接近量子極限》為題發表研究成果。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。

據悉，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。南京大學教授王欣然、施毅和東南大學教授王金蘭為論文共同通訊作者。