当今时代对材料性能尺寸等等方面都提出了新的挑战，其中下一代电子产品的发展需要在保持超低接触电阻的同时，同时将通道材料厚度减小。由于器件尺寸的不断缩放，金属-半导体 (M-S) 触点在现代电子产品中具有重要作用。
虽然过渡金属二硫化物可以维持晶体管的路线与形貌，但器件的性能仍然受到接触限制。特别是，由于固有的范德瓦尔斯间隙，接触电阻还没有超过共价键合的金属半导体结，而且最好的接触技术也面临着稳定性问题。鉴于此，南京大学王欣然教授团队及其合作者通过将二硫化钼（MoS2）与半金属锑Sb(0 11 2)的能带杂交，利用强的范德瓦尔斯相互作用，将单层MoS2的电接触推向量子极限。这些触点表现出42欧姆微米的低接触电阻，在125℃下展示了出色的稳定性。由于接触的改进，短通道MoS2晶体管在一伏的漏极偏压下显示出电流饱和，每微米的导通电流为1.23毫安培，导通/断开比率超过108，内在延迟为74飞秒。这些性能超过了同等的硅互补金属氧化物半导体技术。作者进一步制造了大面积的器件阵列，并证明了接触电阻、阈值电压、亚阈值摆幅、开/关比、导通电流和跨导的低可变性。优秀的电性能、稳定性和可变性使Sb (0 11 2)成为超越硅的基于过渡金属二硫化物的电子器件的一种有前途的接触技术。相关研究成果以题为“Approaching the quantum limit in two-dimensional semiconductor contacts”发表在最新一期《Nature》期刊上。其中不得不提的是，这是南京大学2023年第一篇《Nature》，第一通讯作者王欣然教授至今已发表5篇NS，数十篇Nature大子刊如Nature Nanotechnology，Nature Electronics。王欣然教授 28岁斯坦福大学博士毕业，29岁即任南京大学电子科学与工程学院正教授、博导，32岁成为杰青，33岁评为教育部长江学者特聘教授并荣获“江苏青年五四奖章”，35岁获得“中国青年五四奖章”。这开挂的科研经历令人惊叹！之前的研究表明对于最好的半金属接触，M–S的电子态在vdW间隙上仍然保持弱耦合。为了进一步降低Rc，需要在费米能量(EF)并跨越vdW差距。作者注意到，这种杂化态位于导带和价带内，并且在空间上是离域的，并且有别于局部金属诱导的能隙态。金属诱导的能隙态源于缺陷，会导致不希望的费米能级钉扎。由于严格要求能级对齐（即零或负肖特基势垒）和波函数在没有反向散射的情况下在界面上的相干性，理想的 M-S 接触很少通过实验获得。作者首先使用密度泛函理论(DFT)计算验证了单层二硫化钼 (MoS2) 和半金属锑Sb(0 11 2)策略的有效性。其中，Sb(0 11 2)和Bi(0 11 2)接触与它们的（0001）对应物相比，显示出增强的带状杂化和Bader电荷转移，表明作者的方法是通用且可行的。除了能带杂化，实现欧姆接触的另一个重要方面是隧道势垒宽度。Sb(0 11 2)–MoS2的隧道势垒宽度为 1.35 Å，远小于其他半金属触点。
图 1. DFT 计算得到的 Sb(0 11 2)–MoS2 和 Sb(0 0 0 1)–MoS2 接触的电子特性结构测试（图2）表明结晶Sb和MoS2之间原始且紧密的接触，没有金属诱导的缺陷。Sb和S原子之间的vdW距离经测量约为0.285 nm（图2d）。高分辨率STEM图像清楚地解析了原子位置，与图1中的理论模型非常吻合。接下来，作者通过使用MoS2单晶作为通道测量场效应晶体管(FET)来评估触点的电特性（图3）。作者使用传输长度法 (TLM)，在n2D=3×1013 cm−2时，Rc和传输长度(LT)导出为42 Ωμm和5.1 nm，是TMD材料至今报道的最低值。值得注意的是，小型LT确保了超紧凑的设备占地面积，这对于超大规模集成至关重要。此外，对于低至约60nm的接触长度，可忽略不计的导通电流(Ion)下降进一步证实了较小的LT。值得注意的是，Rc在整个范围内与温度无关，这表明交叉结传输是通过隧道而不是热电子发射，这是欧姆接触的有力证据。同时，由于Sb的高熔点，本文制备的触点稳定性非常好。图 2. Sb (0 11 2)-MoS2接触的特征图 3. Sb(0 11 2)-MoS2接触的电性能和稳定性为了充分确定Sb(0 11 2)接触的潜力，作者制造了Lc为50纳米以下的按比例的MoS2 FET（图4a）。图4b,c显示了Lc≈20nm的代表性器件的Ids-Vgs和Ids-Vds特性。该器件显示了出色的短通道抗扰性，开/关比率超过108，SS约为180 mVdec-1，漏极诱导的势垒降低可以忽略不计。更重要的是，该器件在Vds=1V时很容易达到电流饱和。在相同的漏极偏置和下，Ion(1.23 mAμm-1)分别比具有Bi(0001)和Sb(0001)触点的短沟道器件高44.7%和104%。由于改进了接触，本材料的饱和电压和Ion超过了以往报道的TMD材料。作者还使用现有的TMD和Si互补金属氧化物半导体(CMOS)技术对本文的设备性能进行了基准测试（图4d）。本文材料的Rc不仅是TMD中最低的之一，而且低于Si和化合物半导体中的共价键合触点。紧接着，作者制造了 TLM 阵列并检查了关键设备性能的可变性（图5），结果显示了接触电阻、阈值电压、亚阈值摆幅、开/关比、导通电流和跨导的低可变性。图 5. Sb (0 11 2)-MoS2 FET 的可变性本文克服了固有的vdW间隙，通过M-S能带在费米能上的杂化，实现了MoS2和半金属Sb (0 11 2)之间的近量子极限电接触。Rc超过了共价键合的M-S接触，达到低至42 Ωμm。除了n型MoS2，作者还证明了双极二硒化钨 (WSe2) 器件中的低 Rc，这表明Sb (0 11 2)可能是超越 Si 的基于 TMD 的电子产品的通用接触技术。王欣然，南京大学电子科学与工程学院教授、博士生导师，长江学者，国家杰出青年基金获得者。2004年本科毕业于南京大学物理系，2010年获得斯坦福大学物理学博士学位，2010-2011年期间先后在斯坦福大学和伊利诺伊大学做博士后研究。在Science、Nature、Nature子刊发表论文10余篇，论文总引用超过12000次，H因子32。目前，研究组致力于低维材料的合成、性质、信息器件以及柔性电子学研究。
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