新年第一篇！南京大学成果登Nature
下一代电子技术的发展需要将通道材料厚度缩小到二维极限，同时保持超低的接触电阻。过渡金属二卤属化合物可以维持晶体管扩展到路线图的结束，但尽管有无数的努力，器件性能仍然受到接触限制。特别是，由于固有的范德华间隙，接触电阻还没有超过共价结合的金属-半导体结，最好的接触技术面临稳定性问题。
2023年1月11日，南京大学王欣然、施毅及东南大学王金兰共同通讯在Nature 在线发表题为“Approaching the quantum limit in two-dimensional semiconductor contacts”的研究论文，该研究通过强范德华相互作用使单层二硫化钼与半金属锑的能带杂化使电接触接近量子极限。触点具有42欧姆微米的低接触电阻，在125摄氏度下具有出色的稳定性。
由于改进了接触点，短通道二硫化钼晶体管在1伏漏压下显示电流饱和，导通电流为1.23毫安/微米，开/关比超过108，固有延迟为74飞秒。这些性能优于等效硅互补金属氧化物半导体技术，满足了2028路线图目标。该研究进一步制造了大面积的器件阵列，并展示了接触电阻、阈值电压、亚阈值摆动、开/关比、通态电流和跨导的低可变性。优异的电学性能、稳定性和变异性使锑成为超越硅的过渡金属二卤属化合物电子器件的有前途的接触技术。
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2nm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，通过接触与沟道界面的化学键实现欧姆接触，其接触电阻约为100Ω·μm。由于原子级厚度，二维半导体与高能离子注入工艺不兼容，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，金属与半导体界面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。
图1 Sb (0112)-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)
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42Ω·μm，首次低于硅基器件并接近理论量子极限。团队首先通过第一性原理计算，在半金属Sb中发现了一个特殊的(0112)面，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，导致金属-半导体能带杂化，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）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(0112)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(0112)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(0112)接触对器件性能的显著提升作用。大规模晶体管阵列的统计结果表明Sb (0112)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，20nm沟道长度的MoS2晶体管在1V源漏电压下呈现电流饱和特性，开态电流高达1.23mA/μm，比之前的记录提高近45%，超过了相同节点的硅基CMOS器件，并满足IRDS对1nm节点逻辑器件的性能需求。Sb 0112)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二维电子器件的核心技术。
图2 Sb (0112)-MoS2接触电阻和器件电流密度与现有技术的对比
该工作由南京大学、东南大学、南京工业大学、湖南大学和美国斯坦福大学共同完成。南京大学王欣然教授、施毅教授和东南大学王金兰教授为论文共同通讯作者。该研究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等资助，以及南京大学微制造与集成工艺中心的大力支持。近年来，王欣然教授课题组聚焦二维半导体材料与器件技术，在大面积单晶材料生长(Nature Nanotech., 16, 1201 (2021)； Nature, 605, 69 (2022))、超薄介质集成(Nature Electron., 2, 563 (2019))、三维异质集成(Nature Nanotech., 16, 1231 (2021))等方向取得多项重要进展，2022年荣获第四届“科学探索奖”，并获批国家自然科学基金创新研究群体项目。
注：文章解析参考自南京大学官网介绍。
