Nanoscale 2017年度热门论文：磷烯晶体管中的范德瓦尔斯型电接触
【引言】
当沟道长度尺寸接近10 nm时，基于传统硅材料的金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）的尺寸减小将变得极具挑战。二维材料的原子级厚度利于良好的静电控制，并且其表面缺少悬挂键，可避免界面陷阱的产生，利于电子传输。因此，二维材料广泛认为是另外一种替代硅的潜在材料。在二维材料中，单层和多层黑磷由于其优异的电子性质引起了人们的广泛关注。与各向同性的石墨烯（零带隙、高迁移率）和MoS2（大带隙、中等迁移率）不同，二维的黑磷兼具一个中等、可调的带隙、高迁移率以及各向异性。最近，二维MoS2的亚10 nm晶体管已经制备出来了。基于二维黑磷的晶体管的沟道目前最短能达到20 nm。相信在不远的将来，亚10 nm二维BP场效应管可以用类似的方法制备出来。
通常情况下，晶体管中的电接触是通过在二维半导体表面镀金属材料来实现的。随着晶体管尺寸的缩小，电接触对器件整体性能的影响越来越大。究其原因，是因为金属诱导态（MIGS）导致费米能级钉扎，使得二维半导体-金属界面上往往存在肖特基势垒。肖特基势垒会阻碍载流子注入，从而增加接触电阻、降低器件表现。体金属材料和磷烯之间的接触总是存在肖特基势垒。因此，找到一个能替代传统体金属的新电极材料对于提升基于二维材料的亚10 nm晶体管的器件性能十分重要。
【成果简介】
通过密度泛函理论和第一性原理量子输运计算，北京大学和北京邮电大学的研究人员研究了不同电接触对于单层黑磷晶体管性能的影响。他们发现，与体材料Ni电极相比，采用二维石墨烯或硼烯电极的磷烯晶体管表现出了卓越的门控能力，石墨烯插层电极只有很小的提升，而硼氮插层对门控几乎没有明显影响。因此，二维金属的范德瓦尔斯型电接触比二维插层/体金属复合电极更加有利于提升单层磷烯场效应管的表现。石墨烯和硼烯电极对器件性能的提升作用与金属诱导态的减少以及电极的二维构型有关。
该研究成果近期以题为Black Phosphorus Transistors with Van Der Waals-Type Electrical Contacts发表于Nanoscale, 2017, DOI:10.1039/C7NR03941G，并入选Nanoscale 2017年度热门论文集（2017 Nanoscale HOT Article Collection）。北京邮电大学屈贺如歌为第一作者，北京大学吕劲教授、北京邮电大学雷鸣教授为通讯作者。该研究成果得到了北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室以及滚球体育 部和国家自然科学基金委等的大力支持。
【图文导读】
图1.单层磷烯以及不同类型电极的优化结构
图2.单层磷烯及磷烯与不同电极接触的能带结构
图3.磷烯及不同电极中的磷原子的分波投影态密度
图4.具有体金属Ni、二维硼烯或石墨烯/金属Ni复合电极的单层磷烯晶体管模型图
图5.磷烯晶体管在0偏压0门压下的输运性质
(a-e) 器件中单层磷烯的空间投影态密度。
(f)不同电极水平方向的电子、空穴肖特基势垒。
(g-h)晶体管中孤立的磷烯、金属以及他们的复合结构的能带匹配图。
图6.具有不同类型电极的磷烯晶体管电极-沟道界面的能带匹配图
图7.磷烯晶体管的器件表现
(a-c) 转移曲线。
(d) 具有不同电极的器件性能比较。
(e-f) 输出曲线。
图8.具有金属Ni和石墨烯电极的磷烯晶体管的门电极调控能力比较
从电流关态到开态，采用Ni金属电极的水平肖特基势垒几乎没有变化，而采用石墨烯电机的具有明显的变化。与之对应，后者的透射谱在偏压窗口内有更高的透射率，因而开态电流更大。
图9.具有石墨烯和石墨烯/Ni复合电极磷烯晶体管的门调控能力比较
电极-沟道界面处（器件图中的红色方框）水平方向的肖特基势垒随着门压而变化。采用石墨烯电极的磷烯晶体管中这一水平肖特基势垒的变化更明显。
【总结】
通过系统的理论计算，本文预测：对亚10nm磷烯晶体管来说，二维金属电极是一个比二维材料/体金属复合电极更好的选择。
文献链接：Black phosphorus transistors with van der Waals-type electrical contacts（Nanoscale, 2017, DOI: 10.1039/C7NR03941G）
本文由北京邮电大学屈贺如歌博士投稿。
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