近年來,二維半導體材料(2DSC)因其優异的電、磁、光、熱和機械特性在電子、光電、熱電等領域有著廣闊的應用前景。二維電晶體電晶體,作為電子、光電、熱電等應用的基本器件單元,被人們廣泛地研究。然而,由於缺乏一個有效和穩定的替代摻雜科技,二維電晶體場效應電晶體(2DSC-FET)常常依賴金屬電極直接接觸來注入合適類型的載流子。而肖特基勢壘普遍存在於金屬—二維電晶體介面中,顯著地影響甚至主導大多數2DSC-FET的效能。囙此,確定其肖特基勢壘高度(SBH)非常重要。在金屬—二維電晶體介面處無費米能級釘紮(FLP)的理想情况下,SBH可以用肖特基—莫特規則來預測,即金屬的功函數分別與2DSC的電離能和親合能的差值。但是由於介面處金屬與2DSC的耦合,導致FLP效應普遍存在,SBH一般會偏離肖特基—莫特規則。如何從理論上準確計算2DSC-FET的介面處的SBH是個很有挑戰的問題。
北京大學物理學院呂勁課題組提出一種新方法,通過運用第一性原理量子輸運(QTS)方法,並充分考慮電晶體中金屬與2DSC的相互作用和費米能釘紮效應來確定2DSC-FET的SBH。該方法突破了先前理論研究中沒有充分考慮金屬電極與溝道2DSC耦合的局限。研究者對22種以上二維資料(涵蓋V族烯,VI族烯,過渡金屬二硫化物TMDs,III-VI族,III-V族,IV-VI族化合物)與金屬(Au,Pd,Pt,Ag,Sc,Ti,Ni,Cr,Sb,Ir,In,Graphene,Co,Cu,Al,Tl,MXene)在電晶體結構下的肖特基勢壘進行了系統研究,結果與實驗普遍吻合。相關成果發表於《科學報告》(Scientific Reports 6,21786(2016))、《材料化學》(Chemistry of Materials 28,2100(2016))、《納米尺度》(Nanoscale 8,1179(2016))和《納米研究》(Nano Research 11(2),707-721(2018))。
在上述工作的基礎上,近日呂勁課題組與中國空間技術研究院錢學森太空科技實驗室王洋洋和肖林、北京大學深圳研究生院潘鋒課題組和北京郵電大學理學院屈賀如歌合作,在物理學頂級綜述期刊《物理進展報告》(Reports on Progress in Physics)撰寫了長篇綜述文章,系統地介紹了2DSC-FET中SBH的理論預測和實驗研究的最新進展,以及為實現低肖特基勢壘接觸所做的理論和實驗工作。現時電晶體使用的大多數電極都是純頂部接觸,頂接觸的2DSC-FET有著雙介面肖特基勢壘模型,如圖1所示,源區中的金屬與2DSC之間的介面表示為介面I,源區和溝道區的2DSC之間的介面表示為介面II,介面I和II處分別對應垂直和水准SBH。該綜述比較了理論預測SBH的不同方法(圖1),包括能帶計算(BSC)、功函數近似(WFA)和第一性原理量子輸運類比(QTS)。BSC和WFA方法忽略了源漏極和2DSC溝道之間的相互作用,沒有考慮水准介面處的FLP效應。而在QTS方法中,採用密度泛函理論結合非平衡格林函數對電晶體進行了整體類比,考慮了介面I和II處的耦合,囙此考慮了垂直和水准介面處的FLP效應。綜述還對比了不同理論預測方法給出的SBH,並與實驗進行比較。QTS方法得到的SBH與實驗結果能更好地吻合,證實了使用QTS預測SBH的準確性。最後,該綜述從最先進的2DSC-FET電極設計的角度進行了總結和展望。
圖1能帶計算(BSC)、功函數近似(WFA)和量子輸運類比(QTS)的原理示意圖
中國空間技術研究院錢學森太空科技實驗室王洋洋副研究員、北京大學物理學院凝聚態物理與資料物理研究所2017級博士研究生劉士琦、2020級博士研究生李秋卉和北京郵電大學理學院屈賀如歌副教授為文章的共同第一作者。北京大學物理學院呂勁研究員、航太五院錢學森太空科技實驗室肖林研究員和北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授為文章的共同通訊作者。這一工作得到國家自然科學基金重大研究計畫、科學技術部國家重點研發計畫、北京大學人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、教育部中央高校基本科研業務費、中國博士後科學基金會、陝西省自然科學基礎研究計畫專案、陝西省教育廳科研計畫項目、北京大學高性能計算平臺和北京郵電大學資訊光子學與光通信國家重點實驗室開放基金等支持。
論文原文連結:https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/abf1d4
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