【期刊】中国半导体十大研究进展候选推荐（2023-001）——接近量子极限的二维半导体接触

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工作简介

         ——接近量子极限的二维半导体接触

南京大学王欣然教授、施毅教授领导的实验团队与东南大学王金兰教授领导的理论团队合作，在二维半导体器件接触电阻方面取得重要进展，相关研究以“Approaching the quantum limit in two-dimensional semiconductor contacts”为题，于2023年1月11日发表在《自然》期刊（Nature 613, 274–279 (2023)）。

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2 nm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-半导体之间的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，通过接触与沟道之间的化学键实现欧姆接触，其接触电阻约为100 Ω·μm。而原子层厚度的二维半导体与高能离子注入不兼容，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，金属与半导体之间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42 Ω·μm，首次低于硅基器件并接近理论量子极限。本工作首先通过第一性原理计算，在半金属Sb中发现了一个特殊面(011_2)，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和能带杂化，可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等）具有普适性。在实验上，团队发展出高温蒸镀工艺在MoS₂上实现了Sb(011_2)薄膜的制备，通过X射线衍射和扫描透射电子显微镜验证了Sb薄膜的取向，以及与MoS₂之间的理想界面。基于该工艺，团队制备了MoS₂晶体管器件，发现Sb(011_2)面与MoS₂的平均接触电阻比Sb(0001)面低3.47倍，平均电流密度提升38%，充分证明了Sb(011_2)接触对器件性能的显著提升作用。

图1. Sb(011_2)-MoS₂接触的能带杂化理论（a-b）、高分辨STEM原子成像（c）和接触电阻测量（d-f）。

大规模晶体管阵列的统计结果表明Sb(011_2)接触的各类性能参数呈现优异的均一特性，有望应用于二维半导体的集成规模化制造。由于接触电阻的降低，20 nm沟道长度的MoS₂晶体管在1 V源漏电压下呈现电流饱和特性，开态电流高达1.23 mA/μm，比之前的记录提高近45%，超过相同节点的硅基CMOS器件，并满足IRDS对1 nm节点逻辑器件的性能需求。Sb(011_2)接触展现出来的优异电学性能、稳定性和后端兼容性证明该技术有望成为后硅时代二维电子学中的核心器件技术。

图2. Sb(011_2)-MoS₂接触电阻（a）和电流密度（b）与现有技术的对比。

该工作突破了二维半导体欧姆接触难题，解决了二维半导体应用于高性能集成电路的关键瓶颈之一。南京大学李卫胜、于志浩和东南大学龚晓曙、马亮为论文共同第一作者；南京大学王欣然、施毅和东南大学王金兰为共同通讯作者。该工作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的资助。

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作者简介

通讯作者

王欣然，南京大学电子科学与工程学院教授，博士生导师。

主要从事低维信息材料、器件与集成电路的研究工作。发表SCI论文160余篇，总引用超过23000次，H index=57，多次入选全球高被引学者榜单。国家杰出青年基金获得者，长江学者特聘教授，曾获得国家自然科学二等奖、江苏省科学技术一等奖、中国青年科技奖、中国物理学会黄昆物理奖、中国青年五四奖章、第四届“科学探索奖”等荣誉。担任国际学术期刊npj 2D materials and applications副主编，Nano Research、中国科学：信息科学、半导体学报等期刊编委。

通讯作者

施毅，南京大学电子科学与工程学院教授，博士生导师。

长期从事半导体纳米结构、物性和信息器件方向的研究。作为首席科学家主持了连续三期国家重大科学研究计划“纳米研究”项目等。研究成果发表SCI论文600余篇，包括Nature、Science子刊15篇，被SCI他引1万余次，多次在国际学术会议上作邀请报告。获国家自然科学二等奖2项，江苏省科技进步奖一等奖2项，及其他国家部省级科技进步奖4项。

通讯作者

王金兰，东南大学物理学院教授，博士生导师。

从事新材料的多尺度模拟与设计工作，在机器学习快速预测新材料、低维材料生长机理与物性调控机制等方面取得了一系列创新性研究成果。主持国家自然科学基金重点项目与国家重点研发计划课题项目，以通讯作者身份在Nature、Nature Nanotechnology、Nature Communications等国际核心学术期刊上发表SCI论文300余篇，论文引用超过18000次，H指数62，连续多年入选“Elsevier中国高被引学者名单”（2014-2022）。国家杰出青年基金获得者、国务院特殊津贴专家、英国皇家化学会会士。担任中国化学会理论化学专业委员会副主任、中国物理学会计算物理专业委员会委员、江苏省物理学会常务理事等。担任Nanoscale与Nanoscale Advances副主编、Nanoscale Horizons科学主编以及Journal of Physical Chemistry Letters等国内外多家期刊编委。

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原文传递

详情请点击论文链接：

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

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