研究背景

在現代納米電子器件領域，金屬電極與半導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，選擇功函數與半導體能帶邊緣匹配的金屬，可最小化界面肖特基勢壘高度，實現歐姆接觸。但當高載流子濃度金屬與半導體接觸時，電子波函數重疊會在半導體帶隙內形成金屬誘導帶隙態(tài)，引發(fā)費米能級釘扎效應，導致肖特基勢壘高度幾乎與金屬功函數無關，嚴重阻礙低電阻接觸的實現。對于n型二維半導體，鉍、銻等低載流子濃度、低功函數的半金屬電極，已被證實能有效抑制金屬誘導間隙態(tài)（MIGS），實現超低接觸電阻。然而，為p型二維半導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和低MIGS這兩個看似矛盾的要求。傳統(tǒng)高功函數金屬如鉑、鈀，雖功函數較高，但其高載流子密度會引入顯著MIGS，限制接觸性能進一步提升。因此，開發(fā)能同時提供高有效功函數并抑制MIGS的新型接觸策略，對推動p型納米尺度器件發(fā)展至關重要。

本文亮點

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型半導體低電阻接觸難題，核心亮點有三：

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

2、發(fā)現硒層與金電極間存在獨特能帶雜化作用，使接觸界面從半導體特性轉變?yōu)榘虢饘偬匦裕贿@種半金屬態(tài)在費米能級附近的低態(tài)密度，有效抑制了有害金屬誘導帶隙態(tài)的產生。

3、該策略普適性與性能卓越，應用于p型WSe?晶體管，獲得低至540 Ω·μm的接觸電阻和高達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型半導體，均實現性能顯著提升，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特性

要點：

圖1系統(tǒng)闡述了能帶雜化硒接觸的設計原理與核心優(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（5.9 eV），為降低p型半導體空穴注入勢壘提供理想材料基礎；引入硒界面層，旨在最大化接觸有效功函數，使其更接近半導體價帶頂。紫外光電子能譜測量數據對比顯示，金/硒接觸的有效功函數高達4.50 eV，顯著優(yōu)于鉑、金、鈀等傳統(tǒng)高功函數金屬，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。

為揭示性能提升內在機理，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差異：傳統(tǒng)金屬高態(tài)密度會在半導體帶隙內引入大量金屬誘導帶隙態(tài)，導致費米能級釘扎；而金/硒接觸因能帶雜化形成半金屬特性，費米能級附近態(tài)密度極低，有效抑制金屬誘導帶隙態(tài)形成。X射線光電子能譜數據顯示，硒與金接觸后其3d峰向低結合能方向移動，證實金向硒的電荷轉移及硒價帶的上移，這是能帶雜化發(fā)生的關鍵證據?；诿芏确汉碚撚嬎愕耐队皯B(tài)密度隨硒層厚度變化結果進一步表明，約1納米厚的硒層可實現完全能帶雜化與半金屬特性，過厚則恢復本征半導體性質，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。

圖2. 三層WSe?場效應晶體管采用能帶雜化硒接觸的電學特性

要點：

圖2全面展示了采用能帶雜化硒接觸的p型WSe?場效應晶體管的卓越電學性能。圖中首先呈現溝道長度1微米器件的轉移特性與輸出特性曲線：轉移曲線顯示高達10^8的開關比及可忽略的滯回，表明器件柵控能力優(yōu)異、界面質量良好；輸出曲線在低偏壓下的線性特征，直接證實高質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，對現代電子學小型化與高性能化至關重要，證明該接觸策略在器件微縮過程中的魯棒性。通過轉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之一，遠低于此前采用鉑或鈀接觸的器件，標志p型半導體接觸技術的重大突破，極低接觸電阻確保驅動電流不會在電極界面處嚴重損耗。器件長期穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性測試結果進一步支撐其應用潛力：在空氣中儲存一個月或200攝氏度惰性氣體中退火后，器件轉移特性幾乎無退化；同時X射線光電子能譜確認退火后硒信號仍清晰存在，表明硒/金接觸結構具有出色化學與環(huán)境穩(wěn)定性，能滿足后端工藝與實際應用對可靠性的嚴苛要求。

圖3. 三層Au/Se-WSe?場效應晶體管能帶雜化硒接觸的可變性分析

要點：

圖3通過詳盡統(tǒng)計學分析，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，每個尺寸對應的轉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性，是邁向大規(guī)模集成的先決條件。對開關比、開態(tài)電流、亞閾值擺動等關鍵性能參數的統(tǒng)計分析以直方圖形式呈現：數據顯示，當溝道長度從1微米縮減至150納米時，開態(tài)電流顯著增加，而開關比和亞閾值擺動基本保持穩(wěn)定，體現接觸電阻降低與溝道縮放對驅動電流的正向貢獻，同時器件開關特性未受損害。但溝道長度進一步縮小到80納米時，開關比和亞閾值擺動出現輕微退化，這可能是短溝道效應開始顯現，但開態(tài)電流仍達峰值——這種權衡關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。累積分布函數圖進一步量化了這些參數的分布集中度。所有結果共同表明，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WSe?低阻接觸的機理

要點：

圖4從微觀結構與理論計算層面，深入揭示能帶雜化硒接觸實現低電阻的物理機制。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?界面的原子級結構：一層連續(xù)、均勻的超薄硒層夾在金電極與WSe?半導體之間，且WSe?晶格結構保持完整，證實溫和沉積工藝能形成清晰、無損的異質結界面，為高效電荷傳輸提供理想通道。對應的能量色散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性質均勻一致至關重要，避免因界面不均導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構角度提供關鍵見解：金/硒接觸與WSe?的投影態(tài)密度圖顯示，費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，與最先進的n型半金屬接觸性能相當，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象。

圖5. 能帶雜化硒接觸在p型場效應晶體管中的性能基準

要點：

圖5通過將能帶雜化硒接觸策略應用于多種p型半導體并進行性能基準測試，充分證明其普適性與卓越性。研究首先在黑磷場效應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有力說明硒接觸對改善另一種重要p型二維半導體同樣高效，拓展了該技術的應用范圍。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提供新的接觸方案。

作為對比實驗，將硒接觸應用于n型MoS?晶體管時性能反而下降——這一“負面”結果恰恰反向驗證了該策略的工作原理：硒的高功函數對n型半導體形成了更高的電子注入勢壘，凸顯其對p型半導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與迄今報道的其他p型半導體接觸技術進行全面基準比較：在接觸電阻與載流子密度關系圖中，硒接觸的WSe?器件數據點位于趨勢線左下方，表明相同載流子密度下實現了更低接觸電阻；在開態(tài)電流密度隨溝道長度變化的圖中，本工作的數據點（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前p型半導體接觸技術中的領先地位。

總結與展望

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型半導體器件低電阻接觸難題提供了可擴展且可靠的途徑。通過引入具有本征超高功函數的超薄硒層，利用其與金電極發(fā)生的獨特能帶雜化作用，該策略巧妙同時實現兩個關鍵目標：一是顯著提升接觸界面有效功函數，將空穴注入的肖特基勢壘高度降至可忽略水平；二是使接觸界面轉變?yōu)榘虢饘賾B(tài)，憑借費米能級附近低態(tài)密度特性，有效抑制導致費米能級釘扎的金屬誘導帶隙態(tài)。將這一策略應用于p型WSe?晶體管，獲得低至540 Ω·μm的接觸電阻和高達430 μA/μm的飽和電流密度，器件同時展現出優(yōu)異的開關比、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個別器件性能的突破，更在于其展現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合，從原子結構、電子態(tài)到宏觀電學性能，完整闡釋了能帶雜化硒接觸的工作機制，特別是計算得出的低隧穿電阻率與實驗結果相互印證，奠定了堅實物理基礎。與現有技術的基準對比表明，該接觸方案在接觸電阻和驅動電流方面均達到領先水平，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體制造工藝中。其采用的熱蒸發(fā)沉積方法與現有微加工技術高度兼容，為實現晶圓級二維半導體器件的高性能、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，進一步優(yōu)化界面性能并可能調節(jié)功函數；同時，將該策略與高κ柵介質、負電容等先進技術結合，有望構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（如互補型二維電路）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鍵工具，將有力推動后摩爾時代納米電子學的發(fā)展。

原標題：《【復材資訊】香港理工大學，Nature Nanotechnology！》

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

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