二维半导体接触电阻接近量子极限！

1

二维半导体接触电阻接近量子极限！

南京大学王欣然教授、施毅教授带领国际合作团队，通过增强半金属与二维半导体界面的轨道杂化，将单层二维半导体MoS2的接触电阻降低至42Ω·μm，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。

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。

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。

出版信息

标题:

Approaching the quantum limit in two-dimensional semiconductor contacts

出版信息:

Nature，11 January 2023

DOI:

10.1038/s41586-022-05431-4

2

中国科大与复旦大学合作在深紫外光电感算领域取得新进展

近日，光子芯片研究院陈希教授在《科学》旗下期刊《超快科学》（Ultrafast Science）上发表题为“用于制作90纳米超衍射极限精度石墨烯图案的双光束超快激光直写技术”的研究成果，陈希教授为第一作者，上海理工大学为第一单位，陈希教授、顾敏院士为通讯作者。“石墨烯是碳基电路的基础材料，这项双光束石墨烯激光光刻工艺会为新一代微纳米碳基电路的制造提供基础技术支撑。”顾敏院士谈道。

2014年，诺贝尔化学奖授予了发明超分辨率荧光显微技术的德国科学家斯特凡·W·赫尔、美国科学家埃里克·白兹格和美国科学家威廉姆·艾斯科·莫尔纳尔。受这项工作的启发，上海理工大学光子芯片研究院的科研工作者研发了一种新型的激光光刻技术，用于制造超精细的石墨烯图案，这一发现打破了碳基光刻技术向纳米尺度发展的衍射极限障碍。

据了解，石墨烯的激光直写图案化被广泛应用于多种电学器件的性能突破。在传统的石墨烯图案直写过程中，研究人员通常使用单光束光刻过程驱动氧化石墨烯的光还原，从而形成石墨烯图案。由于光学衍射极限的限制，目前所报道的激光直写石墨烯图案的线宽在微米量级，因此制作超越衍射极限尺度的激光直写石墨烯图案成为光刻领域的巨大挑战。

最近，基于超分辨率荧光显微技术这一诺贝尔奖级成果，有科研工作者报道了一种应用于光刻胶的双光束激光光刻技术，就类似于使用一道“甜甜圈形”的环形光束，来抑制写入光束所触发的光刻胶反应，由此产生线宽超越衍射极限尺度的超精细光刻胶图案。而光子芯片研究院则致力于寻找到一条用于制造超精细石墨烯图案的双光束光刻路径，即控制“甜甜圈形”的石墨烯还原激光光束和“球形”的石墨烯氧化激光光束，用于超精细石墨烯图案的制造。“球形光束负责将激光直写石墨烯转化为氧化态激光直写石墨烯，将激光直写石墨烯的光刻线分裂成两条具有超越衍射极限尺度的光刻线，从而通过双光束光刻实现了最小线宽为90纳米的激光直写石墨烯图案。”陈希解释道。

出版信息

标题:

Two-Beam Ultrafast Laser Scribing of Graphene Patterns with 90-nm Subdiffraction Feature Size

出版信息:

ULTRAFAST SCIENCE，15 December 2022

DOI:

10.34133/ultrafastscience.0001

转自：“科研之友 ScholarMate”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！