吕劲课题组与合作者在《Reports on Progress in Physics》发表综述文章:二维晶体管中的肖特基势垒

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摘要

近年来,二维半导体材料(2DSC)因其优异的电、磁、光、热和机械特性在电子、光电、热电等领域有着广阔的应用前景。二维半导体晶体管,作为电子、光电、热电等应用的基本器件单元,被人们广泛地研究。然而,由于缺乏一个有效和稳定的替代掺杂技术,二维半导体场效应晶体管(2DSC-FET)常常依赖金属电极直接接触来注入合适类型的载流子。而肖特基势垒普遍存在于金属-二维半导体界面中,显著地影响甚至主导大多数 2DSC-FET 的性能。因此,确定其肖特基势垒高度(SBH)变得非常重要。在金属-二维半导体界面处无费米能级钉扎(FLP)的理想情况下,SBH 可以用肖特基-莫特规则来预测,即金属的功函数分别与 2DSC 的电离能和亲合能的差值。但是由于界面处金属与2DSC的耦合,导致FLP效应普遍存在,SBH 一般会偏离肖特基-莫特规则。如何从理论上准确计算 2DSC-FET 的界面处的SBH是个很有挑战的问题。
北京大学物理学院吕劲课题组发展了运用第一性原理量子输运(QTS)方法,充分考虑晶体管中金属与 2DSC的相互作用和费米能钉扎效应来确定 2DSC-FET 的 SBH 的方法,突破了先前理论研究中没有充分考虑金属电极与沟道 2DSC 耦合的局限。他们对 22 种以上二维材料(涵盖 V 族烯,VI 族烯,过渡金属二硫化物 TMDs,III-VI 族,III-V 族,IV-VI 族化合物)与金属(Au, Pd, Pt, Ag, Sc, Ti, Ni, Cr, Sb, Ir, In, Graphene, Co, Cu, Al, Tl, MXene)在晶体管结构下的肖特基势垒进行了系统研究,结果与实验普遍吻合。有 4 篇论文成为 ESI 高被引论文:

  • 《Scientific Reports》, 6 , 21786 (2016);
  • 《Chemistry of Materials》, 28 , 2100 (2016);
  • 《Nanoscale》, 8, 1179 (2016);
  • 《Nano Research》, 11(2), 707-721 (2018)。

在上述先前工作的基础上,近日吕劲课题组与航天五院钱学森空间技术实验室王洋洋和肖林、北京大学深圳研究生院潘锋课题组和北京邮电大学理学院屈贺如歌合作在物理学顶级综述期刊《Reports on Progress in Physics》撰写了长篇综述文章,系统地介绍了 2DSC-FET中SBH 的理论预测和实验研究的最新进展,以及为实现低肖特基势垒接触所做的理论和实验工作。目前晶体管使用的大多数电极都是纯顶部接触,顶接触的2DSC-FET 有着双界面肖特基势垒模型,如图 1 所示,源区中的金属与 2DSC 之间的界面表示为界面I,源区和沟道区的 2DSC 之间的界面表示为界面 II,界面 I 和 II 处分别对应垂直和水平 SBH。该综述比较了理论预测 SBH 的不同方法(图 1),包括能带计算(BSC)、功函数近似(WFA)和第一性原理量子输运模拟。BSC 和 WFA 方法忽略了源漏极和2DSC沟道之间的相互作用,没有考虑水平界面处的 FLP 效应。而在 QTS 方法中,采用密度泛函理论结合非平衡格林函数对晶体管进行了整体模拟,考虑了界面 I 和 II 处的耦合,因此考虑了垂直和水平界面处的 FLP 效应。综述还对比了不同理论预测方法给出的 SBH,并与实验进行比较。QTS 方法得到的 SBH 与实验结果能更好地吻合,证实了使用 QTS 预测 SBH 的准确性。最后,该综述从最先进的 2DSC-FET 电极设计的角度进行了总结和展望。

图1. 能带计算(BSC)、功函数近似(WFA)和量子输运模拟(QTS)的原理示意图。

航天五院钱学森空间技术实验室王洋洋副研究员、北京大学物理学院凝聚态物理 2017 级博士研究生刘士琦、2020级博士研究生李秋卉和北京邮电大学理学院屈贺如歌副教授为文章的共同第一作者。北京大学物理学院吕劲研究员、航天五院钱学森空间技术实验室肖林研究员和北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授为文章的共同通讯作者,其中吕劲研究员入选 2020 全球前 2% 顶尖科学家“生涯影响力”和 2020 全球前 2% 顶尖科学家“年度影响力”榜单以及爱思唯尔 2020 中国高被引学者,潘锋教授入选 2020 全球前 2% 顶尖科学家“年度影响力”榜单以及爱思唯尔 2020 中国高被引学者。这一工作得到国家自然科学基金重大研究计划、国家材料基因组计划、人工微结构和介观物理国家重点实验室、中央高校基本科研基金、中国博士后科学基金、陕西省自然科学基础研究项目、陕西省教育厅科研计划项目、北京大学高性能计算平台和北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室开放基金支持。

(感谢吕劲老师课题组供稿)

延伸阅读

低维材料在带来新的半导体发展新的可能性的同时,也带来了很多新的科学问题,这些科学问题在很多情况下都与传统的三维半导体有明显的区别。QuantumATK 为理解这类体系尤其是二维半导体和金属接触问题、二维半导体构成的各种器件的性能提供了全新的、完整的解决方案,其中最为重要的双电极器件(Device)模型与密度泛函理论-非平衡态格林函数方法(DFT-NEGF)的结合,为研究界面接触的性质和电输运性质提供了可靠的模型。在此基础上,QuantumATK 中包含的 能带排列(PLDOS)和伏安特性(IVCharacteristics)模拟工具则极大的方便了对这类体系的电子学的静态和输运性质的分析。

参考