王金兰教授、马亮教授首次超越了以化学键结合的硅基晶体管接触电阻

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近日，物理学院王金兰教授、马亮教授材料多尺度模拟团队在金属和二维半导体接触机制与调控方面取得了重要进展，与南京大学王欣然实验团队合作，将二维半导体MoS2晶体管的接触电阻降低至42Ω·μm，首次超越了以化学键结合的硅基晶体管接触电阻，并接近理论量子极限。成果以“Approaching the quantum limit in two-dimensional semiconductor contacts”为题，1月11日在线发表于Nature。
       实现金属-半导体稳定的低电阻欧姆接触是实现高性能晶体管的关键。传统硅基器件利用离子注入对接触区域进行高浓度掺杂，通过金属电极材料与接触区半导体材料之间的化学键实现欧姆接触，其典型接触电阻约为100Ω·μm。然而，对于二维半导体而言，由于：1.二维半导体的原子级厚度，难以实现有效的离子注入和掺杂；2.与硅相比，二维半导体表面惰性无悬挂键，与电极材料间存在范德华间隙，致使金属-二维半导体的电子波函数杂化耦合较弱；这些因素导致常规的金属-二维半导体接触存在稳定性差、接触电阻高、开态电流密度低等问题，极大地限制了器件性能。因此，如何实现稳定的低电阻欧姆接触是二维半导体应用于高性能集成电路的核心挑战之一！

图1. Sb (01-12)-MoS2接触的能带杂化、近费米能级波函数和差分电荷密度分布和垂直方向静电势变化曲线。

       针对上述挑战，王金兰、马亮团队通过计算模拟，提出了利用半金属Sb(01-12)原子密排面较大的垂直方向原子轨道分布和与二维半导体MoS2强的范德华相互作用，增强范德华间隙中的原子轨道重叠和能带杂化，进而大幅提升接触界面电荷转移和载流子注入效率的新思路和新机制。进一步计算表明，该机制对WS2、MoSe2和WSe2等其它过渡金属硫族化合物二维半导体具有良好的普适性。
       基于以上机制，团队与南京大学王欣然教授团队合作，在Sb(01-12)-MoS2接触中实现了42Ω·μm的超低接触电阻，刷新了金属-半导体接触电阻的最低纪录，已逼近理论量子极限。该接触在125°C的工作温度下具有良好的稳定性。

图2. Sb(01-12)-MoS2接触器件模型、高分辨STEM原子图像以及接触电阻和电流密度的对比。

       物理学院博士研究生龚晓曙、马亮教授均为本文共同一作(排名第二和第四)，王金兰教授为共同通讯作者。该工作东南大学部分受到了国家重点研发计划课题、国家自然科学基金重点/优青项目和江苏省“双创人才”等项目的资助。
       论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05431-4
         文章来源：东南大学
       王金兰，教授、博士生导师、国家杰出青年获得者、国务院政府特殊津贴专家。2002年获得南京大学博士学位，随后在美国Argonne国家实验室化学部从事博士后研究。2005年底由东南大学引进，2015年获国家杰出青年基金。长期从事新材料的多尺度模拟与理论设计工作，先后承担多项国家自然科学基金与国家重点研发计划项目，在二维材料的生长与物性调控、机器学习预测新材料等方面取得了重要进展。发表SCI论文近200篇，影响因子10以上论文30余篇、其中Science 1篇、Nat. Commun. 7篇、J. Am. Chem. Soc. 7篇、Angew. Chem. Int. Ed. 5篇、Adv. Mater/Nano Lett 10篇。引用超过7000次，连续五年入选“Elsevier中国高被引学者名单（2014-2018）”。