邁向更節能的二維半導體器件

據新加坡科技設計大學 (SUTD) 的研究人員稱，最近發現的二維 (2D) 半導體系列可以為高性能和節能電子產品鋪平道路。他們的發現發表在npj 2D Materials and Applications 上，可能會導致制造適用于主流電子和光電子的半導體器件，甚至有可能完全取代硅基器件技術。

在尋求電子設備小型化的過程中，一個眾所周知的趨勢是摩爾定律，它描述了計算機集成電路中的組件數量如何每兩年翻一番。由于晶體管的尺寸不斷減小，這種趨勢成為可能，其中一些非常小，以至于數以百萬計的晶體管可以塞進一個指甲大小的芯片上。但隨著這一趨勢的繼續，工程師們開始努力應對硅基器件技術固有的材料限制。

“由于量子隧道效應，將硅基晶體管縮小得太小會導致器件行為高度無法控制，”負責這項研究的 SUTD 助理教授 Ang Yee Sin 說。“人們現在正在尋找超越‘硅時代’的新材料，而二維半導體是一個很有前途的候選材料。”

二維半導體是只有幾個原子厚的材料。由于它們的納米級尺寸，在開發緊湊型電子設備的過程中，此類材料是硅替代品的有力競爭者。然而，許多當前可用的 2D 半導體在與金屬接觸時受到高電阻的困擾。

“當你在金屬和半導體之間形成接觸時，通常會出現我們所說的肖特基勢壘，”Ang 解釋說。“為了迫使電力通過這個屏障，你需要施加一個強大的電壓，這會浪費電力并產生廢熱。”

這激起了團隊對歐姆接觸或沒有肖特基勢壘的金屬-半導體接觸的興趣。在他們的研究中，Ang 和南京大學、新加坡國立大學和浙江大學的合作者表明，最近發現的一個二維半導體家族，即 MoSi 2 N 4和 WSi 2 N 4，與金屬鈦、鈧和鎳，廣泛用于半導體器件行業。

此外，研究人員還表明，新材料沒有費米能級釘扎(FLP)，這一問題嚴重限制了其他二維半導體的應用潛力。

“FLP 是在許多金屬-半導體接觸中發生的不利影響，是由接觸界面處的缺陷和復雜材料相互作用引起的，”Ang 說。“這種效果將觸點的電氣特性‘固定’在一個很窄的范圍內，而不管觸點中使用的是什么金屬。”

由于 FLP，工程師無法調整或調整金屬和半導體之間的肖特基勢壘——降低了半導體器件的設計靈活性。

為了最大限度地減少 FLP，工程師通常采用諸如非常輕緩緩慢地將金屬放置在 2D 半導體頂部、在金屬和半導體之間創建緩沖層或使用 2D 金屬作為與 2D 半導體的接觸材料等策略。雖然這些方法是可行的，但它們還不實用，并且與使用當今可用的主流工業技術的大規模制造不兼容。

令人驚訝的是，Ang 的團隊表明，MoSi 2 N 4和 WSi 2 N 4由于惰性 Si-N 外層可以保護下層半導體層免受接觸界面處的缺陷和材料相互作用的影響，因此自然可以免受 FLP 的影響。

由于這種保護，肖特基勢壘是“非固定”的，可以進行調整以滿足各種應用要求。這種性能改進有助于將 2D 半導體作為硅基技術的替代品投入使用，臺積電和三星等主要參與者已經表達了對 2D 半導體電子產品的興趣。

Ang 希望他們的工作將鼓勵其他研究人員探索新發現的 2D半導體家族中更多成員的有趣特性，即使是那些具有電子以外應用的特性。

“其中一些在電子應用方面可能很差，但對于自旋電子學、光催化劑或作為太陽能電池的構建塊非常有用，”他總結道。“我們的下一個挑戰是系統地掃描所有這些二維材料，并根據它們的潛在應用對其進行分類。”