2023年1月11日，南京大學王欣然教授、施毅教授帶領國際合作團隊在全球頂級科研期刊《Nature》上以“Approaching the quantum limit in two-dimensional semiconductor contacts”為題發(fā)表研究成果，這是南京大學新年首篇《Nature》。

該科研團隊通過增強半金屬與二維半導體界面的軌道雜化，將單層二維半導體MoS2的接觸電阻降低至42Ω·μm，超越了以化學鍵結(jié)合的硅基晶體管接觸電阻，并接近理論量子極限，該成果解決了二維半導體應用于高性能集成電路的關鍵瓶頸之一。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05431-4

硅基集成電路在過去60多年一直沿著摩爾定律的預測，朝著更小晶體管尺寸、更高集成度和更高能效的方向發(fā)展。然而，由于量子效應和界面效應的限制，硅基器件的微縮化已經(jīng)接近極限。最新的國際器件與系統(tǒng)路線圖（IRDS）預測，在2nm技術節(jié)點以下，以MoS2為代表的二維半導體將取代硅成為延續(xù)摩爾定律的新溝道材料。

金屬-半導體歐姆接觸是實現(xiàn)高性能晶體管的關鍵，特別是在先進工藝節(jié)點下。傳統(tǒng)硅基器件利用離子注入對接觸區(qū)域進行高濃度摻雜，通過接觸與溝道界面的化學鍵實現(xiàn)歐姆接觸，其接觸電阻約為100Ω·μm。由于原子級厚度，二維半導體與高能離子注入工藝不兼容，需要發(fā)展全新的歐姆接觸技術。與硅相比，二維半導體存在天然的范德華間隙，金屬與半導體界面的波函數(shù)雜化耦合較弱，因此實現(xiàn)超低接觸電阻具有很大的挑戰(zhàn)，這也是長期以來限制二維半導體高性能晶體管器件的關鍵瓶頸之一。

面對上述挑戰(zhàn)，合作團隊提出了軌道雜化增強的新策略，在單層MoS2晶體管中實現(xiàn)了目前最低的接觸電阻42Ω·μm，首次低于硅基器件并接近理論量子極限。團隊首先通過第一性原理計算，在半金屬Sb中發(fā)現(xiàn)了一個特殊的（0112）面，具有較強的z方向原子軌道分布，即使存在范德華間隙仍然與MoS2具有較強的原子軌道重疊，導致金屬-半導體能帶雜化，大幅提升電荷轉(zhuǎn)移和載流子注入效率。

進一步計算發(fā)現(xiàn)，該策略對于其他過渡金屬硫族化合物半導體（如WS2、MoSe2、WSe2）具有普適性。在實驗上，團隊發(fā)展出高溫蒸鍍工藝在MoS2上實現(xiàn)了Sb（0112）薄膜的制備，通過X射線衍射和掃描透射電子顯微鏡驗證了Sb薄膜的取向，以及與MoS2之間的理想界面。

基于該工藝，團隊制備了MoS2晶體管器件，發(fā)現(xiàn)Sb（0112）面與MoS2的平均接觸電阻比Sb（0001）面低3.47倍，平均電流密度提升38%，充分證明了Sb（0112）接觸對器件性能的顯著提升作用。大規(guī)模晶體管陣列的統(tǒng)計結(jié)果表明Sb （0112）接觸的各類性能參數(shù)呈現(xiàn)優(yōu)異的均一特性，有望應用于二維半導體的集成規(guī)模化制造。

由于接觸電阻的降低，20nm溝道長度的MoS2晶體管在1V源漏電壓下呈現(xiàn)電流飽和特性，開態(tài)電流高達1.23mA/μm，比之前的記錄提高近45%，超過了相同節(jié)點的硅基CMOS器件，并滿足IRDS對1nm節(jié)點邏輯器件的性能需求。Sb（0112）接觸展現(xiàn)出來的優(yōu)異電學性能、穩(wěn)定性和后端兼容性證明該技術有望成為二維電子器件的核心技術。

圖1 Sb （0112）-MoS2接觸的能帶雜化理論（a-b）、高分辨STEM原子成像（c）和接觸電阻測量（d-f）

圖2 Sb（0112）-MoS2接觸電阻和器件電流密度與現(xiàn)有技術的對比

該工作由南京大學、東南大學、南京工業(yè)大學、湖南大學和美國斯坦福大學共同完成。南京大學王欣然教授、施毅教授和東南大學王金蘭教授為論文共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、江蘇省前沿引領技術基礎研究專項等資助，以及南京大學微制造與集成工藝中心的大力支持。

近年來，王欣然教授課題組聚焦二維半導體材料與器件技術，在大面積單晶材料生長（Nature Nanotech.， 16， 1201 （2021）; Nature， 605， 69 （2022））、超薄介質(zhì)集成（Nature Electron.， 2， 563 （2019））、三維異質(zhì)集成（Nature Nanotech.， 16， 1231 （2021））等方向取得多項重要進展，2022年榮獲第四屆“科學探索獎”，并獲批國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體項目。

審核編輯 ：李倩