张敏课题组在低维晶体管接触性能极限的研究中取得重要进展

近日，信息工程学院张敏课题组在国际期刊Materials Horizons（IF：13.3）发表了题目为“Hydrogen-bonding enables two-dimensional metal/semiconductor tunable contacts approaching the quantum limit and the modified Schottky-Mott limit simultaneously”的研究论文。该工作提出与阐明了氢键接触技术在开发新型低维器件和探索性能极限中的潜力，凸显了化学、物理和材料科学之间的交叉研究对电子学发展的重要机遇。

氢键接触的概念图

超越硅材料的先进电子学发展需要将沟道材料厚度缩减至二维（2D）极限。然而，利用2D半导体制造器件的一个关键挑战是需要接近量子极限的低接触电阻，这主要受限于固有的范德华间隙导致的附加隧穿电阻。最近，半金属（铋、锑等）/二硫化钼接触的强范德华接触接近量子极限，为进一步缩小器件尺寸和延续摩尔定律提供了希望，引发了一波探索2D晶体管性能极限的研究热潮。然而，继续降低接触电阻仍然具有挑战性，因为半金属接触受限于范德华相互作用的本质及狭窄的功函数范围。此外，实现清洁无损的金属沉积工艺仍具有一定技术挑战。因此，急需实现能本质上克服范德华间隙的超洁净、无损的金半接触。

氢键接触逼近修正的肖特基莫特极限

这项研究基于第一性原理提出利用氢键相互作用本质上克服固有的范德华间隙，并讨论了在各种2D半导体中实现良好氢键接触的通用设计理念。鉴于氢键所具备的类似于范德华力的洁净界面特性，且具有更强的电子态耦合能力，氢键接触能够实现接近量子极限的超低接触电阻。此外，2D材料的表面工程赋予了氢键接触较高的设计灵活性，能够使金半接触同时逼近修正的肖特基-莫特极限。理论预测优异的氢键接触可以为各种新型高迁移率2D半导体（如氮化物、氧化物、卤化物、硫族化合物等）提供延续摩尔定律所需的电接触。这项研究成果将为进一步探索2D晶体管的性能极限提供理论指导，并为从高性能晶体管到量子器件的广泛应用提供了一种设计理想金半接触的方法，从而加速这个令人兴奋且迅速发展的领域的进步。

氢键接触电阻逼近量子极限

该工作的第一作者为信息工程学院博士生刘德行，张敏为通讯作者，信息工程学院硕士生刘子一和博士生朱家豪也作出了重要贡献。上述研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、深圳市科技创新委员会基础研究项目和深圳市科技创新基金的支持。