場效應(yīng)晶體管器件尺寸的極致縮減是半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn)，主要包括溝道長度和接觸長度等器件特征尺寸的縮減和性能的優(yōu)化。受益于超薄的原子結(jié)構(gòu)，新型層狀二維半導(dǎo)體具有優(yōu)異的靜電調(diào)控能力，在克服短溝道效應(yīng)、縮減器件溝道長度方面展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢。但二維半導(dǎo)體溝道的結(jié)構(gòu)和特性也使得金屬半導(dǎo)體接觸界面處存在較大的接觸電阻，從而限制了器件性能和接觸長度的縮減。因此，在實(shí)現(xiàn)超短接觸長度的同時(shí)保持相對低的接觸電阻是目前二維電子學(xué)領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。

最近清華大學(xué)物理系低維量子物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生李炫璋同學(xué)在導(dǎo)師范守善院士和魏洋副研究員、張躍鋼教授的指導(dǎo)下，提出并發(fā)展了二維半導(dǎo)體的一維半金屬接觸。他們將兩根平行排列且具有相同手性的半金屬單壁碳納米管用于二維半導(dǎo)體的接觸電極，從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了具有亞 2 納米接觸長度的場效應(yīng)晶體管器件。這種混合維度半金屬半導(dǎo)體接觸相比二維異質(zhì)結(jié)更為緊密，并且可以在外部電場的調(diào)控下實(shí)現(xiàn)肖特基接觸和歐姆接觸之間的切換。發(fā)展了縱向傳輸線模型，實(shí)現(xiàn)了短接觸極限下的低維場效應(yīng)晶體管各項(xiàng)電學(xué)參數(shù)的定量評估。基于該模型提取得到一維二維界面接觸電阻率和接觸電阻在歐姆接觸模式下分別可低至10^-6 Ω·cm²和50 kΩ·μm，這在二維半導(dǎo)體的超短接觸中處于領(lǐng)先水平。進(jìn)一步證明了一維半金屬接觸的獨(dú)特能帶結(jié)構(gòu)使其功函數(shù)大范圍可調(diào)，從而可以匹配具有不同帶邊位置的半導(dǎo)體，可用做MoS₂，WS₂，WSe₂等材料的通用電極。該工作為未來集成電路元器件尺寸的進(jìn)一步微縮提供了新的發(fā)展思路和重要方法。

圖1 器件結(jié)構(gòu)、縱向傳輸線模型及接觸電阻

這項(xiàng)研究成果以“One-dimensional semimetal contacts to two-dimensional semiconductors”為題發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊Nature Communications上。清華大學(xué)物理系魏洋副研究員和張躍鋼教授為該文的通訊作者，清華大學(xué)物理系博士生李炫璋為文章的第一作者。該項(xiàng)工作得到科技部（2018YFA0208401，2021YFA1400100,  2017YFA0205803）、國家自然科學(xué)基金（61774090，U1832218，51727805）、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃（2020B010169001）、廣東珠江人才計(jì)劃地方創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2017BT01N111）、深圳基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（JCYJ20200109142816479）和清華-富士康納米科技研究中心的支持。

全文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-022-35760-x

(來源：清華物理系)