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从原子尺度认识二维相界,新研究为半导体器件小型化添砖加瓦

已有 731 次阅读 2020-6-5 10:10 |个人分类:国家科学评论|系统分类:论文交流

研究者在原子尺度上揭示了1T’/2H-MoTe2相界的接触性质,并分析了其背后的原子结构基础。这些结果为降低接触电阻、进一步推动半导体器件小型化提供理论指导。

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pixabay/geralt

随着半导体器件的小型化,半导体界面的接触性质对器件整体性能的影响越来越显著。在二维过渡金属硫族化合物(TMDs)半导体上沉积金属电极通常会导致高接触电阻,限制了器件的小型化应用(短沟道器件)。

研究发现,如果采用相工程制备方法,用TMDs的金属性相(如1T-MoS2、1T’-MoTe2)代替普通金属电极,与TMDs的半导体相(如2H-MoS2、2H-MoTe2)形成相界接触,可以有效地降低接触电阻。实际上,这是目前唯一报道的能够降低二维半导体接触电阻从而满足ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) 标准的有效方案(Nat. Mater. 2015; 14: 1195-205)。

然而问题在于,这背后的理论依据是什么?决定金属—半导体TMDs相界接触性质的主要因素是什么?应该合成什么样的相界来进一步改善接触电阻? 

回答这些问题可为相工程方法优化相界提供依据。虽然众所周知,相界的性质取决于原子结构,包括相界化学键合方式、有无杂质、晶畴的相对倾转角等,但是由于相界的尺寸十分微小,从实验上直接揭示相界接触性质对原子结构的依赖关系,并不容易。

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(a) 1T’/2H-MoTe2相界的原子结构,相界倾角θ=23°;(b)多种倾角相界的等离激元震荡能量红移。大倾角相界处(5°<θ<55°)能量移动显著


近日,北京大学高鹏叶堉研究员与北京科技大学王海成副教授等团队合作,在原子尺度上揭示了1T’/2H-MoTe2相界的接触性质。他们制备了包含不同转角的1T’/2H-MoTe2平面内金属—半导体接触异相结构,利用球差矫正扫描透射电子显微镜和快电子能量损失谱,发现相界的接触性质依赖于界面两侧晶畴的相对倾转角。等离激元震荡能量损失峰大倾角相界处向低能移动0.3 eV–1.2 eV,而在0°倾角相界处却没有明显的能量改变,意味着0°倾角相界有更强的化学键和更好的接触性质。

研究人员还发现,MoTe2的特征能量损失谱在界面附近的2个2H相晶胞内,展现出了1T’相的特征,说明相界处的1T’相的电子态会对2H相产生影响,且作用距离只存在于2个晶胞长度内。 

该研究在原子尺度上揭示了二维共面TMDs金属—半导体的接触性质,对基于相界工程的低维电子器件设计和接触电阻调控具有指导意义。相关研究成果以Correlating the electronic structures of metallic/semiconducting MoTe2 interface to its atomic structures为题发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR)。北京大学和北京科技大学联合培养研究生韩博为论文第一作者,高鹏研究员、叶堉研究员和王海成副教授为通讯作者。


论文链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa087

 

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