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国际顶尖期刊《JACS》连续发表刘伟教授课题组最新科研成果

时间:2019-03-01来源:材料科学与工程学院点击:144

近期,学院纳米异构材料中心刘伟课题组在新一代纳米电子器件界面接触领域取得了突破性进展。2019年1月4日,美国化学会刊《Journal of the American Chemical Society》刊登了该团队在有机分子与金属异质结界面方面的重要成果,论文题目为:Switchable Schottky Contacts: Simultaneously Enhanced Output Current and Reduced Leakage Current。该论文第一作者为博士生苏桂荣,任吉昌讲师和刘伟教授为该论文通讯作者,南京理工大学为第一完成单位。




图1. 物理和化学吸附体系的肖特基势垒以及调控机理

集成电路是当今信息技术产业高速发展的基础和源动力,已经高度渗透与融合到国民经济和社会发展的每个领域。二极管独特的整流特性使之成为集成电路中不可或缺的元器件之一。然而,随着微纳器件的发展,传统半导体材料制成的p-n结二极管无法满足集成电路在低功耗、大电流、超高速等方面的要求。金属-半导体接触(肖特基二极管)具有极短的反向恢复时间、较低的正向电压降以及高频响应等特性,有望满足上述更高的技术需求。早期的肖特基二极管主要由金属阳极,如Mo、Cr、W和Pt等与n型硅阴极接触形成。然而,当硅基材料逐渐减小至微电子器件的尺寸极限时,传统集成电路的设计与制造将面临诸多无法克服的瓶颈,摩尔定律也无法延续下去。利用有机半导体分子与金属接触形成的肖特基二极管是解决这一难题的一种可行方案,而选择合适的有机分子对增大肖特基二极管正向输出电流以及减小反向漏电流尤为重要。影响该器件性能的一个最重要参数是肖特基势垒。较小的肖特基势垒会获得较大的输出电流,从而提高其输出功率,但由于反向漏电流的增加使得器件的热损耗也同时增加。反之,较大的肖特基势垒会同时减小反向漏电流和正向工作电流,虽然降低了器件的热损耗,但是其输出功率的降低大大限制了器件的工作效率。由此可见,设计出一种能够同时增加正向输出电流并减小反向漏电流的肖特基二极管具有十分重要的意义。本工作中作者通过吸附有机分子,在金属表面上同时获得稳定的物理吸附和化学吸附状态(即双稳态),而不同的吸附状态会导致界面处迥异的肖特基势垒。因此,通过分子在双稳态之间的转换可以达到调控界面肖特基势垒的目的。在此基础上,作者采用分子开关的理念,设计出了一系列具有稳定化学吸附态和物理吸附态的金属−有机界面,从而实现了同时提高正向输出电流、减小反向漏电流的肖特基整流器件。这一研究突破了传统金属半导体接触中单一肖特基势垒的缺陷,通过偏压调控肖特基势垒高度,为分子整流器件的进一步发展提供了全新的思路。

2019年1月28日,《JACS》再度报道了刘伟课题组在二维半导体与金属异质结界面方面的最新进展,论文题目为:van der Waals Stacking Induced Transition from Schottky to Ohmic Contacts: 2D Metals on Multilayer InSe。该论文第一作者为博士生沈涛,李爽副教授和刘伟教授为论文共同通讯作者,论文全部作者皆为我校材料学院纳米异构材料中心刘伟课题组成员。

随着纳米加工技术与纳米材料制备技术的飞速发展,集成电路器件尺寸缩小到纳米尺度极限时,传统硅器件性能上的延续将面临巨大的挑战。以新材料、新结构和新原理为主要特征的器件设计成为纳米材料与纳米电子科学的前沿问题。二维层状材料目前最有望解决硅基材料在芯片发展过程中所遇到的尺度瓶颈问题,其可以将载流子限制在界面1纳米的空间内,其本身的单晶属性确保了器件性能的均一和可靠。特别是近期,二维InSe通过机械剥离法被成功制备,其电子迁移率高达103 cm2 V-1 s-1。并且与黑磷相比,InSe能够在空气中稳定存在。在电子器件中,InSe的实际使用需要与金属电极接触以实现载流子的注入。然而,金属与InSe接触常常会形成肖特基势垒,从而减小载流子注入效率,增大接触阻抗,降低器件性能。因此,控制接触界面的势垒高度,设计低阻抗的欧姆接触界面是高性能器件制备的关键之一。在本文中作者利用二维金属-二维半导体异质结有效的克服了钉扎效应且接近Schottky-Mott极限,实现了肖特基势垒的有效调整。更重要的是,InSe层数的增加引起肖特基到欧姆接触的转变。这一材料设计理念有效地解决了电子器件中接触电阻的问题。与此同时,由于接触界面产生的载流子的耗尽层在原子尺度,这将使得器件的响应频率大大增加。该工作为低维纳米器件普遍存在的接触问题提供了有效的解决方案。该工作为二维金属材料的设计提供了理论支持。


图2. InSe层数变化实现肖特基接触到欧姆接触的转变

上述工作得到了国家优秀青年科学基金的支持。

 论文链接:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.8b11459

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/jacs.8b12212


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