研究背景

在現(xiàn)代納米電子器件領(lǐng)域，金屬電極與半導(dǎo)體溝道間的電接觸性能，是決定晶體管整體性能的核心要素。理想狀態(tài)下，選擇功函數(shù)與半導(dǎo)體能帶邊緣匹配的金屬，可最小化界面肖特基勢壘高度，實現(xiàn)歐姆接觸。但當(dāng)高載流子濃度金屬與半導(dǎo)體接觸時，電子波函數(shù)重疊會在半導(dǎo)體帶隙內(nèi)形成金屬誘導(dǎo)帶隙態(tài)，引發(fā)費(fèi)米能級釘扎效應(yīng)，導(dǎo)致肖特基勢壘高度幾乎與金屬功函數(shù)無關(guān)，嚴(yán)重阻礙低電阻接觸的實現(xiàn)。對于n型二維半導(dǎo)體，鉍、銻等低載流子濃度、低功函數(shù)的半金屬電極，已被證實能有效抑制金屬誘導(dǎo)間隙態(tài)（MIGS），實現(xiàn)超低接觸電阻。然而，為p型二維半導(dǎo)體尋找類似高性能接觸方案，仍是巨大挑戰(zhàn)——需同時滿足高功函數(shù)和低MIGS這兩個看似矛盾的要求。傳統(tǒng)高功函數(shù)金屬如鉑、鈀，雖功函數(shù)較高，但其高載流子密度會引入顯著MIGS，限制接觸性能進(jìn)一步提升。因此，開發(fā)能同時提供高有效功函數(shù)并抑制MIGS的新型接觸策略，對推動p型納米尺度器件發(fā)展至關(guān)重要。

本文亮點(diǎn)

本研究提出并驗證了創(chuàng)新的“能帶雜化硒接觸”策略，成功攻克p型半導(dǎo)體低電阻接觸難題，核心亮點(diǎn)有三：

1、創(chuàng)造性利用硒元素本征超高功函數(shù)優(yōu)勢，在金電極與半導(dǎo)體間引入超薄硒界面層，顯著提升接觸界面有效功函數(shù)，大幅降低空穴注入的肖特基勢壘。

2、發(fā)現(xiàn)硒層與金電極間存在獨(dú)特能帶雜化作用，使接觸界面從半導(dǎo)體特性轉(zhuǎn)變?yōu)榘虢饘偬匦?；這種半金屬態(tài)在費(fèi)米能級附近的低態(tài)密度，有效抑制了有害金屬誘導(dǎo)帶隙態(tài)的產(chǎn)生。

3、該策略普適性與性能卓越，應(yīng)用于p型WSe?晶體管，獲得低至540 Ω·μm的接觸電阻和高達(dá)430 μA/μm的飽和電流密度；并成功拓展至黑磷、碳納米管等多種p型半導(dǎo)體，均實現(xiàn)性能顯著提升，為高性能p型納米電子器件集成提供可靠且可擴(kuò)展的解決方案。

圖文解析

圖1. 能帶雜化硒接觸與高有效功函數(shù)特性

要點(diǎn)：

圖1系統(tǒng)闡述了能帶雜化硒接觸的設(shè)計原理與核心優(yōu)勢。圖中以元素周期表為背景，突出硒具備所有元素中最高的本征功函數(shù)（5.9 eV），為降低p型半導(dǎo)體空穴注入勢壘提供理想材料基礎(chǔ)；引入硒界面層，旨在最大化接觸有效功函數(shù)，使其更接近半導(dǎo)體價帶頂。紫外光電子能譜測量數(shù)據(jù)對比顯示，金/硒接觸的有效功函數(shù)高達(dá)4.50 eV，顯著優(yōu)于鉑、金、鈀等傳統(tǒng)高功函數(shù)金屬，確鑿證明硒界面層在提升界面能帶對齊方面的卓越效能，為低勢壘歐姆接觸奠定物理基礎(chǔ)。

為揭示性能提升內(nèi)在機(jī)理，圖中通過態(tài)密度示意圖對比傳統(tǒng)金屬接觸與能帶雜化硒接觸的本質(zhì)差異：傳統(tǒng)金屬高態(tài)密度會在半導(dǎo)體帶隙內(nèi)引入大量金屬誘導(dǎo)帶隙態(tài)，導(dǎo)致費(fèi)米能級釘扎；而金/硒接觸因能帶雜化形成半金屬特性，費(fèi)米能級附近態(tài)密度極低，有效抑制金屬誘導(dǎo)帶隙態(tài)形成。X射線光電子能譜數(shù)據(jù)顯示，硒與金接觸后其3d峰向低結(jié)合能方向移動，證實金向硒的電荷轉(zhuǎn)移及硒價帶的上移，這是能帶雜化發(fā)生的關(guān)鍵證據(jù)?；诿芏确汉碚撚嬎愕耐队皯B(tài)密度隨硒層厚度變化結(jié)果進(jìn)一步表明，約1納米厚的硒層可實現(xiàn)完全能帶雜化與半金屬特性，過厚則恢復(fù)本征半導(dǎo)體性質(zhì)，為優(yōu)化界面層厚度以獲最佳接觸性能提供精確理論指導(dǎo)。

圖2. 三層WSe?場效應(yīng)晶體管采用能帶雜化硒接觸的電學(xué)特性

要點(diǎn)：

圖2全面展示了采用能帶雜化硒接觸的p型WSe?場效應(yīng)晶體管的卓越電學(xué)性能。圖中首先呈現(xiàn)溝道長度1微米器件的轉(zhuǎn)移特性與輸出特性曲線：轉(zhuǎn)移曲線顯示高達(dá)10^8的開關(guān)比及可忽略的滯回，表明器件柵控能力優(yōu)異、界面質(zhì)量良好；輸出曲線在低偏壓下的線性特征，直接證實高質(zhì)量歐姆接觸成功形成，空穴注入效率極高。隨著溝道長度按比例縮小至80納米，器件性能優(yōu)勢更凸顯——在1 V漏源電壓下實現(xiàn)430 μA/μm的飽和開態(tài)電流密度，這一高電流密度在短溝道器件中的保持，對現(xiàn)代電子學(xué)小型化與高性能化至關(guān)重要，證明該接觸策略在器件微縮過程中的魯棒性。通過轉(zhuǎn)移長度法提取的接觸電阻低至540 Ω·μm，這是本工作核心性能指標(biāo)之一，遠(yuǎn)低于此前采用鉑或鈀接觸的器件，標(biāo)志p型半導(dǎo)體接觸技術(shù)的重大突破，極低接觸電阻確保驅(qū)動電流不會在電極界面處嚴(yán)重?fù)p耗。器件長期穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性測試結(jié)果進(jìn)一步支撐其應(yīng)用潛力：在空氣中儲存一個月或200攝氏度惰性氣體中退火后，器件轉(zhuǎn)移特性幾乎無退化；同時X射線光電子能譜確認(rèn)退火后硒信號仍清晰存在，表明硒/金接觸結(jié)構(gòu)具有出色化學(xué)與環(huán)境穩(wěn)定性，能滿足后端工藝與實際應(yīng)用對可靠性的嚴(yán)苛要求。

圖3. 三層Au/Se-WSe?場效應(yīng)晶體管能帶雜化硒接觸的可變性分析

要點(diǎn)：

圖3通過詳盡統(tǒng)計學(xué)分析，評估能帶雜化硒接觸策略在不同溝道長度器件中的性能一致性與可擴(kuò)展性。研究系統(tǒng)性制備并測量了溝道長度為1微米、0.6微米、150納米、80納米的WSe?晶體管陣列，每個尺寸對應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線簇顯示出極小的器件間差異與可忽略的滯回，表明基于硒接觸的制備工藝具有高度可控性與可重復(fù)性，是邁向大規(guī)模集成的先決條件。對開關(guān)比、開態(tài)電流、亞閾值擺動等關(guān)鍵性能參數(shù)的統(tǒng)計分析以直方圖形式呈現(xiàn)：數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)溝道長度從1微米縮減至150納米時，開態(tài)電流顯著增加，而開關(guān)比和亞閾值擺動基本保持穩(wěn)定，體現(xiàn)接觸電阻降低與溝道縮放對驅(qū)動電流的正向貢獻(xiàn)，同時器件開關(guān)特性未受損害。但溝道長度進(jìn)一步縮小到80納米時，開關(guān)比和亞閾值擺動出現(xiàn)輕微退化，這可能是短溝道效應(yīng)開始顯現(xiàn)，但開態(tài)電流仍達(dá)峰值——這種權(quán)衡關(guān)系是納米尺度器件的普遍特性，并不影響硒接觸本身的高效性。累積分布函數(shù)圖進(jìn)一步量化了這些參數(shù)的分布集中度。所有結(jié)果共同表明，能帶雜化硒接觸策略在不同尺寸器件上均能提供一致且優(yōu)異的性能，其器件間低變異性凸顯該技術(shù)對于未來大規(guī)模、高密度集成電路制造的適用性與可靠性。

圖4. 能帶雜化硒接觸實現(xiàn)WSe?低阻接觸的機(jī)理

要點(diǎn)：

圖4從微觀結(jié)構(gòu)與理論計算層面，深入揭示能帶雜化硒接觸實現(xiàn)低電阻的物理機(jī)制。橫截面像差校正掃描透射電子顯微鏡圖像直觀展示了金/硒/WSe?界面的原子級結(jié)構(gòu)：一層連續(xù)、均勻的超薄硒層夾在金電極與WSe?半導(dǎo)體之間，且WSe?晶格結(jié)構(gòu)保持完整，證實溫和沉積工藝能形成清晰、無損的異質(zhì)結(jié)界面，為高效電荷傳輸提供理想通道。對應(yīng)的能量色散X射線光譜元素分布圖清晰顯示硒元素在金與鎢之間的連續(xù)均勻分布，這種連續(xù)性對確保整個接觸界面電學(xué)性質(zhì)均勻一致至關(guān)重要，避免因界面不均導(dǎo)致局部高電阻或電流擁擠問題。

基于密度泛函理論的計算從電子結(jié)構(gòu)角度提供關(guān)鍵見解：金/硒接觸與WSe?的投影態(tài)密度圖顯示，費(fèi)米能級位于價帶頂之下，表明形成p型歐姆接觸且肖特基勢壘可忽略；同時計算定量比較了金接觸和金/硒接觸下金屬誘導(dǎo)帶隙態(tài)的變化，證明硒接觸能大幅抑制帶隙態(tài)形成。此外，通過對界面處靜電勢分布的分析，提取了硒層與WSe?之間的隧穿勢壘寬度和高度，計算得出的特定隧穿電阻率低至1.74×10^-9 Ω·cm2，與最先進(jìn)的n型半金屬接觸性能相當(dāng)，意味著空穴可幾乎無阻礙地隧穿過該超薄界面，接觸電阻主要由半導(dǎo)體體電阻決定，從理論上完美解釋實驗中觀測到的超低接觸電阻現(xiàn)象。

圖5. 能帶雜化硒接觸在p型場效應(yīng)晶體管中的性能基準(zhǔn)

要點(diǎn)：

圖5通過將能帶雜化硒接觸策略應(yīng)用于多種p型半導(dǎo)體并進(jìn)行性能基準(zhǔn)測試，充分證明其普適性與卓越性。研究首先在黑磷場效應(yīng)晶體管上驗證該接觸的有效性：對比金電極接觸，采用金/硒接觸后器件飽和開態(tài)電流密度從8.6 μA/μm顯著提升至42.7 μA/μm，近五倍的性能提升強(qiáng)有力說明硒接觸對改善另一種重要p型二維半導(dǎo)體同樣高效，拓展了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。同樣，在碳納米管薄膜晶體管中也觀察到明顯性能改善：金/硒接觸器件的開態(tài)電流密度高于金接觸器件，且掃描電子顯微鏡圖像顯示碳納米管薄膜分布均勻，未因硒層引入而團(tuán)聚，表明該接觸工藝與溶液法加工的納米材料具有良好兼容性，為柔性或大面積電子學(xué)提供新的接觸方案。

作為對比實驗，將硒接觸應(yīng)用于n型MoS?晶體管時性能反而下降——這一“負(fù)面”結(jié)果恰恰反向驗證了該策略的工作原理：硒的高功函數(shù)對n型半導(dǎo)體形成了更高的電子注入勢壘，凸顯其對p型半導(dǎo)體特有的選擇性與優(yōu)化作用。最后，圖中將本工作性能指標(biāo)與迄今報道的其他p型半導(dǎo)體接觸技術(shù)進(jìn)行全面基準(zhǔn)比較：在接觸電阻與載流子密度關(guān)系圖中，硒接觸的WSe?器件數(shù)據(jù)點(diǎn)位于趨勢線左下方，表明相同載流子密度下實現(xiàn)了更低接觸電阻；在開態(tài)電流密度隨溝道長度變化的圖中，本工作的數(shù)據(jù)點(diǎn)（尤其是80納米溝道下的430 μA/μm）位居前列，這些對比無可爭議地確立了能帶雜化硒接觸在當(dāng)前p型半導(dǎo)體接觸技術(shù)中的領(lǐng)先地位。

總結(jié)與展望

本研究成功開發(fā)并驗證了基于能帶雜化硒界面的創(chuàng)新策略，為攻克納米尺度p型半導(dǎo)體器件低電阻接觸難題提供了可擴(kuò)展且可靠的途徑。通過引入具有本征超高功函數(shù)的超薄硒層，利用其與金電極發(fā)生的獨(dú)特能帶雜化作用，該策略巧妙同時實現(xiàn)兩個關(guān)鍵目標(biāo)：一是顯著提升接觸界面有效功函數(shù)，將空穴注入的肖特基勢壘高度降至可忽略水平；二是使接觸界面轉(zhuǎn)變?yōu)榘虢饘賾B(tài)，憑借費(fèi)米能級附近低態(tài)密度特性，有效抑制導(dǎo)致費(fèi)米能級釘扎的金屬誘導(dǎo)帶隙態(tài)。將這一策略應(yīng)用于p型WSe?晶體管，獲得低至540 Ω·μm的接觸電阻和高達(dá)430 μA/μm的飽和電流密度，器件同時展現(xiàn)出優(yōu)異的開關(guān)比、環(huán)境穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性。

這項工作的意義不僅在于實現(xiàn)個別器件性能的突破，更在于其展現(xiàn)出的普適性與工藝兼容性。該策略成功拓展至黑磷、碳納米管等多種p型半導(dǎo)體材料，均帶來顯著性能提升，證明其廣泛適用性。理論計算與實驗表征相結(jié)合，從原子結(jié)構(gòu)、電子態(tài)到宏觀電學(xué)性能，完整闡釋了能帶雜化硒接觸的工作機(jī)制，特別是計算得出的低隧穿電阻率與實驗結(jié)果相互印證，奠定了堅實物理基礎(chǔ)。與現(xiàn)有技術(shù)的基準(zhǔn)對比表明，該接觸方案在接觸電阻和驅(qū)動電流方面均達(dá)到領(lǐng)先水平，為未來高性能、低功耗的p型納米電子電路鋪平了道路。

展望未來，這種能帶雜化接觸策略有望集成到主流半導(dǎo)體制造工藝中。其采用的熱蒸發(fā)沉積方法與現(xiàn)有微加工技術(shù)高度兼容，為實現(xiàn)晶圓級二維半導(dǎo)體器件的高性能、均勻性接觸提供切實可行的方案。下一步研究可探索硒層與鈀、鎳等其它金屬的雜化效應(yīng)，進(jìn)一步優(yōu)化界面性能并可能調(diào)節(jié)功函數(shù)；同時，將該策略與高κ柵介質(zhì)、負(fù)電容等先進(jìn)技術(shù)結(jié)合，有望構(gòu)建出性能逼近理論極限的p型超陡峭晶體管。此外，在三維集成、柔性電子和新型計算架構(gòu)（如互補(bǔ)型二維電路）中，高性能p型接觸都是不可或缺的一環(huán)，本工作為解決這一核心瓶頸問題提供了關(guān)鍵工具，將有力推動后摩爾時代納米電子學(xué)的發(fā)展。

原標(biāo)題：《【復(fù)材資訊】香港理工大學(xué)，Nature Nanotechnology！》

本文僅代表作者觀點(diǎn)，版權(quán)歸原創(chuàng)者所有，如需轉(zhuǎn)載請在文中注明來源及作者名字。

免責(zé)聲明：本文系轉(zhuǎn)載編輯文章，僅作分享之用。如分享內(nèi)容、圖片侵犯到您的版權(quán)或非授權(quán)發(fā)布，請及時與我們聯(lián)系進(jìn)行審核處理或刪除，您可以發(fā)送材料至郵箱：service@tojoy.com