研究背景
由于传统的硅基CMOS技术已经达到了其物理极限，2D过渡金属硫族化合物（TMDCs）已成为下一代沟道材料的有前途半导体候选者。人们对2D TMDCs作为沟道材料的兴趣日益浓厚，这可归因于其卓越的电学和光学性质。然而，众所周知，2D TMDCs在源/漏（S/D）界面处遭受强烈的费米能级钉扎（FLP）。FLP发生在金属与半导体直接接触时，其中金属诱导隙态（MIGSs）和缺陷诱导隙态（DIGSs）等界面隙态带电，形成界面偶极子。因此，金属的功函数被固定在半导体材料的电荷中性水平（CNL）上。金属/半导体接触的肖特基势垒高度（SBH）由于FLP而与金属的功函数无关，因此在2D TMDC FET中，晶体管极性（n型或p型）固定为某一类型。这是因为注入2D TMDC FET沟道的大多数载流子受到S/D和金属界面的SBH的影响。因此，减轻FLP以获得SBH的可控性以及2D TMDC FET的极性可控性是非常重要的。
成果介绍
有鉴于此，近日，韩国高丽大学Hyun-Yong Yu等设计了一种具有准0D接触界面的S/D接触结构，其中降维效应缓解了FLP，从而获得了对2D TMDC FET极性的可控性。结果表明，WSe2 FET上的传统金属接触由于在导带附近具有很强的FLP（钉扎因子为0.06）而表现出n型特性，而由Ag导电丝在WSe2 FET上实现的准0D接触表现出p型特性，其SBH非常接近肖特基-莫特规则（钉扎因子为0.95）。此外，对传统接触、1D接触和准0D接触的肖特基势垒进行建模表明，准0D接触的SBH受界面偶极子的影响相对较小，偶极子能量衰减更快。本研究中提出的接触提供了一种超越缓解FLP以实现可控极性的方法。此外，将接触维数降低到准0D，将使其与进一步缩小的纳米级器件接触结构具有更高的兼容性。文章以“Quasi-Zero-Dimensional Source/Drain Contact for Fermi-Level Unpinning in a Tungsten Diselenide (WSe2) Transistor: Approaching Schottky-Mott Limit”为题发表在著名期刊ACS Nano上。
图文导读
图1. （a）具有准0 D接触和常规2D接触的WSe2 FET的3D示意图，以及通过h-BN与Ag导电丝准0 D接触的2D示意图。（b）WSe2和h-BN界面层状结构的TEM图像。（c）WSe2和h-BN薄片的拉曼光谱研究。（d）WSe2和h-BN薄片的AFM测量结果。（e）以Ti、Ag、Pt为常规2D接触的背栅多层WSe2 FET的ID-VG。（f）Ag导电丝的栅极可控成形过程。（g）以Ag导电丝为准0 D接触的背栅多层WSe2 FET的ID-VG。
图1a显示了具有准0D S/D接触和传统2D接触的WSe2 FET的3D示意图。准0D接触是由h-BN层内部形成的Ag导电丝实现的。在图1b中，TEM结果提供了S/D接触处h-BN/WSe2界面的横截面。可以观察到WSe2和h-BN薄片的层状结构。进一步对WSe2和h-BN薄片进行拉曼散射分析，如图1c所示。对于WSe2，观察到三种具有代表性的多层WSe2振动模式。对于h-BN，在1366 cm-1附近观察到一个代表性峰（E2g），与多层h-BN相对应。在进行材料表征的器件制造之前，通过AFM测量了WSe2薄片和h-BN薄片的厚度，如图1d所示。图1e显示了WSe2 FET的ID-VG特性，该特性具有传统的2D接触S/D，使用不同的金属，具有广泛的功函数。用于MS接触式WSe2 FET的不同类型金属分别为Ti、Ag和Pt，其功函数值分别为4.33、4.62和5.55 eV。如图1e所示，以Ti、Ag和Pt为接触金属的传统2D接触WSe2 FET的ID-VG测量显示出非常相似的n-FET特性。由于较强的FLP作用，金属功函数增加只导致导通电流减小和关断电流增加。理想情况下，当没有FLP时，SBH的变化量应该与金属功函数之间的差异相同。因此，如果金属的功函数足够大，则期望p-SBH比n-SBH小得多，并且当金属的功函数足够大时，晶体管的极性应该变为p型。然而，由于对WSe2的导带有很强的费米能级钉扎作用，三种不同功函数的金属均表现出n-FET特性，尽管Pt的功函数比价带顶（4.83 eV）低0.72 eV。因此，费米能级去钉扎成为获得极性可控性以实现WSe2 FET p型特性的首要任务。
为了缓解WSe2 FET S/D处的费米能级钉扎，在h-BN层内采用Ag导电丝作为S/D接触金属，实现准0D接触。本研究中Ag导电丝的形成过程与导电桥RAM（CBRAM）的形成过程相似。在CBRAM的情况下，正偏置施加在活性电极上，活性电极由高流动性的金属组成，如Ag。由于活性电极处的正偏置，使正金属离子如Ag+迁移到活性层中，在活性电极和反电极之间形成金属导电丝（或导电桥）。采用类似的方法制备了准0D接触式WSe2 FET的Ag导电丝。如图1f所示，在Ag/h-BN接触上施加3 V的强偏置，并将传统的2D接触Ag金属接地，将背栅电压负扫至-50 V，以实现低沟道电阻和大电流。当栅极电压较强导致沟道电阻降低时，h-BN上的电压升高，Ag+渗入h-BN中间层，在内部形成导电丝。此外，由于在成形过程中通过沟道的电流充当电流顺从，因此施加了强偏置进行成形。为了避免导电丝形成过细，可能导致自然断裂过程，是非易失性的，高电流顺从性是有利的。结果，如图1g所示，在漏极偏置0.5 V下，与Ag导电丝的准0D接触WSe2 FET观察到p型结果。与传统Ti 2D接触相比，尽管准0D接触的接触面积非常小，但导通电流仅降低了~×13.85。从n型到p型的极性转变预计是由于准0D接触的费米能级去钉扎效应。
图2. （a&b）使用Ti，Ag和Pt作为接触金属的标准MS接触和Ag导电丝接触，从WSe2提取的肖特基势垒高度。（c）提取的肖特基势垒高度值与金属功函数。（d）金属与多层WSe2的费米能级对齐。
通过温度相关的ID-VG测量，提取了WSe2 FET的S/D的SBH，其中包括传统的2D接触和准0D接触。因此，如图2a所示，在平带条件下得到SBH，判断为线性拟合结束的地方。结果表明，电子的SBH（n-SBH）在Ti接触为0.217 eV，Ag接触为0.234 eV，Pt接触为0.289 eV。使用相同的方法，从准0D接触的WSe2 FET的平带条件中提取空穴的SBH（p-SBH），如图2b所示。提取的p-SBH为0.255 eV。在图2c中，绘制了传统2D接触和准0D接触的n-SBH值和p-SBH值与金属功函数（ΦM）的关系，并提取了钉扎因子（S~ΦB/ΦM）。当金属完全去钉扎时，SBH的变化应与金属功函数的变化完全匹配，符合肖特基-莫特规则。在这种情况下，S值应该是1。相反，如果金属被完全钉扎，无论金属的功函数如何，SBH都不会改变。在这种情况下，S值为0。传统2D接触的S值计算为~0.06。如此低的S值表明WSe2表现出严重的FLP。与标准的传统2D接触相比，准0D接触的p-SBH非常接肖特基-莫特规则预测的理想值，S值预计为~0.95。在图2d中，对于传统的2D接触和准0D接触，说明了金属的费米能级对WSe2的能带对齐。很明显，在传统2D接触的情况下，金属的费米能级被牢固地固定在CNL附近，因此，势垒高度更有利于电子作为移动载流子。另一方面，在准0D接触的情况下，Ag的费米能级返回到接近其理想位置，因此能垒更有利于空穴。这些结果与图1e和g中的ID-VG曲线一致，而WSe2 FET的传统2D接触显示n型行为，而准0D接触显示p型行为。基于这些结果，可以解释Ag导电丝实现的准0D接触极大地缓解了费米能级钉扎效应，这是由于降维效应。
图3. （a）各种接触技术及其界面偶极子的示意图。（b&c）各接触技术下，界面偶极子施加的电场和导带底vs距离与k值的关系。
准0D接触WSe2的费米能级去钉扎效应归因于接触维度的降低。为了了解其去钉扎机理并确认其在1D接触上的有效性，本文采用将产生FLP的界面偶极子假设为一对平行矩形片的方法来比较界面偶极子在不同接触维度上的影响。图3a给出了Ag与WSe2的常规2D接触、1D接触和准0D接触示意图。红色虚线区域表示由WSe2界面处正电荷的界面间隙态和Ag界面负电荷形成的界面偶极子。假设这些界面偶极子具有不同的尺寸，计算了由界面偶极子沿x轴产生的电场。2D、1D和准0D接触电场的求解结果如图3b所示。如图所示，在传统的2D接触情况下，界面以外沿x轴的电场太小，可以忽略不计。这意味着界面偶极子不会在界面以外的半导体中产生任何能带弯曲。另一方面，在1D接触的情况下，一个沿x轴的正电场出现在界面之外。由于在这种情况下，FLP是由Ag/WSe2界面偶极子之间的负电场产生的，所以在界面之外的正电场会降低沿x轴的FLP效应。最后，在准0D接触的情况下，在界面外观察到比1D接触更强的正电场。因此，与1D接触相比，准0D接触可以更快地降低沿x轴的FLP影响，并通过求解界面偶极子的能量进行了研究。从2D、1D和准0D界面偶极子的电场出发，计算了它们所产生的能量。将得到的偶极子能与WSe2的导带结构结合，说明界面偶极子诱导的FLP效应，如图3c所示。单胞面积内的平均钉扎电荷数(k)是不同的，这些电荷填充界面间隙状态并形成偶极子，从而导致FLP。因此，在与WSe2的传统2D接触的情况下，随着k值增加，金属的费米能级（EFM）更接近导带底（EC），这遵循着著名的FLP理论。另一方面，在与WSe2 1D接触的情况下，导带结构沿x轴方向恢复到原来的位置，这是由于界面外存在正电场。这说明k值对导带结构的影响减弱，从而减轻了FLP。最后，随着k值增加，描述了与WSe2的准0D接触的导带结构。尽管界面附近的界面偶极子有很强的影响，但由于界面偶极子以外存在更强的正电场，偶极子能量比1D接触衰减得更快，能带结构恢复到理想位置的速度更快。这意味着准0D接触比1D接触更能缓解FLP。此外，考虑到Ag导电丝的尺寸预计约为10×10 nm2，即使S/D接触缩小，基于Ag导电丝的准0D接触也有望保持其减轻FLP的有效性。因此，本文提出的接触结构有望成为未来器件小型化的有效可扩展方法。
图4. （a）以Ag为接触金属的肖特基势垒模型中提取的SBH与k值的关系。（b）利用匹配的k值和所建立的模型中金属功函数的变化，预测了不同金属功函数下准0D接触的SBH。
为了进一步研究，从建模结果中提取了2D、1D和准0D接触到WSe2的SBH，并将其绘制在图4a中，作为k的函数。发现准0D接触的SBH受k值增加的影响最小。这意味着准0D接触比2D或1D接触更不受诱导FLP的界面状态的影响。此外，当k值接近~0.25时，模型提取的2D接触的SBH与实验提取的SBH相匹配（电子为~0.234 eV）。实验提取的准0D接触的SBH也与模型匹配，k值为0.02。准0D接触的k值远低于2D接触，这是由于h-BN层的存在避免了直接金属沉积引起的缺陷。1D接触由于刻蚀过程而具有边缘缺陷，例如悬键，因此它们应该具有比准0D接触更高的k值，从而经历更强的FLP。将图4a中得到的k值重新引入模型，通过计算预测其他金属与WSe2之间的SBH值。考虑到有助于钉扎的界面间隙态电荷的数量不仅是界面间隙态的函数，而且是ECNL与EFM之间差异的函数，因此对每个金属功函数应用不同的k值。因此，从建立的模型中提取出2D和0D接触的S值，如图4b所示。将这样的计算结果与图2c的实验得到的值进行比较，2D接触建模得到的S值为~0.06，与实验得到的结果完全吻合。准0D接触模型的S值为~0.93，也与实验结果（S~0.95）几乎吻合，增加了模型结果的可信度。这样的结果表明，如果与其他金属实现准零接触成为可能，则可以实现低得多的SBHs，甚至负势垒高度。
图5. 有无Ag导电丝时，Ag/WSe2和Ag/h-BN/WSe2的W 4f峰和Se 3d峰的XPS分析.
通过对不同接触结构的XPS来验证不同接触类型的钉扎偶极子，如图5所示。在Ag导电丝成形前的Ag/WSe2和Ag/h-BN/WSe2以及Ag导电丝成形后的Ag/h-BN/WSe2中，研究了W和Se的主要XPS区域。如图5a所示，与Ag/WSe2相比，通过在Ag和WSe2之间插入h-BN层，W 4f7/2峰的结合能降低了0.14 eV。然后，通过在h-BN内形成Ag导电丝，W 4f7/2峰的结合能几乎正移动了0.17，几乎增加到Ag/WSe2的结合能。如图5b所示，Se 3d峰也观察到类似的结果。h-BN的加入降低了Se 3d5/2峰的结合能，而Ag导电丝的成形又使Se 3d5/2峰的结合能增加。这样的结果是由于h-BN的插入改变了WSe2界面上的界面间隙态的数量。如前所述，当Ag接触时，WSe2的界面间隙态有望带正电。当在Ag和WSe2之间插入一层较厚的h-BN层时，由于MIGS的减少，正电荷的数量会减少。然后，当Ag导电丝成形并与WSe2接触时，在界面处重新形成钉扎电荷。从结合能峰移的角度对XPS分析的解释符合偶极子对FLP的预期影响。因此，证明了Ag导电丝实现的准0D接触虽然也存在钉扎偶极子，但FLP效应得到极大的缓解。
图6. p-SBH和S因子与其他缓解FLP的工作进行比较，以证明WSe2 FET的p型行为。
图6a比较了该工作与其他工作的p-SBH，减轻了FLP，以证明WSe2 FET的p型行为。红色虚线表示其他金属实现的准0D接触的期望p-SBH。如图所示，如果与具有更高功函数的金属实现准0D接触，则p-SBH预计远低于大多数其他工作提出的值。值得注意的是，1D接触获得的p-SBH比使用低功函数金属的工作低。然而，这样的结果是由于金属的费米能级的修复，通过在侧面边缘形成不利的p掺杂材料。这些研究提供的钉扎因子如图6b所示，可以明显看出，这项工作的值是其中最高的。
总结与展望
本文在WSe2 FET中，提出了一种使用Ag导电丝的准0D接触，通过费米能级去钉扎实现极性可控性。具体来说，具有Ag导电丝接触的WSe2 FET的SBH值非常接近肖特基-莫特规则，与价带顶的值为0.255 eV，预期的钉扎因子为S~0.95。相反，所有具有MS接触（Ti，Ag和Pt接触）的WSe2 FET的SBH值都在导带附近，导致n型FET，而与金属的功函数无关（S~0.06）。这种采用Ag导电丝接触的p型载流子跃迁归因于准0D降维引起的费米能级去钉扎效应。通过计算界面间隙态偶极子的偶极子能，证明了Ag导电丝的准0D接触减轻了FLP。因此，本研究为2D WSe2沟道上的费米能级去钉扎以及晶体管从电子到空穴的极性反转提供了一种方法。
文献信息
Quasi-Zero-Dimensional Source/Drain Contact for Fermi-Level Unpinning in a Tungsten Diselenide (WSe2) Transistor: Approaching Schottky-Mott Limit
（ACS Nano, 2024, DOI:10.1021/acsnano.4c09384）
文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c09384
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