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Nano Res.[器件]│北京科技大学张跃院士、张铮教授团队:与硅基工艺兼容的二维材料集成电路的接触工程

本篇文章版权为张跃 张铮所有,未经授权禁止转载。

背景介绍


后摩尔时代,由于硅材料性能的退化和晶体管器件功耗的增加,硅基集成电路的尺寸微缩已经逼近物理极限。二维层状过渡金属硫族化合物(TMDCs)由于表面无悬空键,具有原子级平整的范德华界面,同时还具有优异的开关特性,被认为是下一代集成电路最具竞争力的新型沟道材料之一。近年来,研究人员从二维材料晶圆的生长、晶体管器件构筑和性能优化、大规模晶体管阵列集成、逻辑功能演示等方面全面推动了二维TMDCs材料的发展,充分验证了后摩尔时代二维TMDCs在集成电路中应用的可行性。

尽管二维TMDCs已经实现了快速发展,但面向实际应用仍然面临诸多挑战,其中之一是如何实现二维TMDCs与硅基工艺兼容的器件接触,并能在接触性能满足应用要求的同时能够大规模高精度制造。二维TMDCs的接触成为制约其应用发展的原因是二维TMDCs超薄的特性难以使用传统的掺杂方式来优化接触性能,而其它多数改善接触的策略都面临着关键性能不兼容的问题。近几年,研究人员发展和制定了多种有利的接触策略,以降低二维TMDCs与金属电极之间的接触电阻,并提高接触界面的质量,如转移金属电极、低熔点电极低能沉积、缺陷辅助掺杂、边缘接触方法等。此外,在优化其他接触特性,如降低接触电极长度、提升接触界面稳定性以及提升与硅工艺兼容的大规模加工特性等方面,也取得了突破性的进展。当前,急需从硅基工艺兼容性和实际应用角度出发,回顾优化接触的最新进展,并总结二维TMDCs接触面临的更深层次挑战,这对于推动二维TMDCs材料走向应用十分重要。


成果简介


在这篇综述中,我们从满足与硅基后道工艺兼容和实际应用需求的角度出发,系统总结了评估二维TMDCs和金属电极接触性能的关键指标,这些指标包括:决定器件性能和功耗的接触电阻(RC)、影响器件集成度的接触电极长度缩放性能(LC)、决定器件集成可行性和使用稳定性的接触界面稳定性,影响接触区域电子传输和散热的接触电极的电导率/热导率以及决定是否可以进行大规模制造的加工方法等,如图1所示。然后,对标硅晶体管的接触特性,概述了二维TMDCs与金属电极接触面临的特殊挑战。针对这些需求指标和特殊挑战,我们重点回顾近几年最新发展的接触电阻优化方法、触点缩放技术和触点稳定性改进策略,并提出了二维TMDCs与金属电极接触面临的更深层次的问题和未来的发展方向。本文旨在为进一步开发满足实际应用需求的二维TMDCs触点策略提供发展方向和参考。

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图1 满足硅基工艺兼容和实际应用需求的二维TMDCs与金属电极的接触性能概括


作者简介


张跃:中国科学院院士、发展中国家科学院院士、国家重大科学研究计划和重点研发计划项目首席科学家。现任新金属材料国家重点实验室主任、北京科技大学前沿交叉科学技术研究院院长。教育部科技委国防学部常务副主任和材料学部副主任;中国体视学学会理事长、中国金属学会常务理事;National Science Open创刊主编、Fundamental Research副主编、Nanoscale 和Nanoscale Advances主编、Science Bulletin等10余种国际期刊的编委。从事低维半导体材料及其服役行为的研究,致力于将低维半导体材料前沿研究和国家重大需求相结合,在信息、能源和传感领域关键材料与器件应用的基础理论、制备技术和工程应用方面做出了系统性、创新性重要贡献。以第一完成人获国家自然科学二等奖1项、省部级科技成果一等奖3项、省部级教学成果一等奖2项。


张铮:北京科技大学教授,国家杰青;前沿交叉科学技术研究院副院长,材料科学与工程学院材料物理与化学系主任;主要从事二维半导体材料及其范德华异质结器件的应用基础研究,在二维半导体材料的大尺寸单晶制备方法、材料结构调控与表征技术、高性能二维范德华晶体管器件设计构筑等方面取得了系统性创新成果。在Nature Materials, Nature Energy, Nature Commun., Adv. Mater., ACS Nano等期刊发表论文130余篇,谷歌被引超7500余次;撰写英文专著一部、参与撰写英文专著一部;申请发明专利35项、授权中国发明专利22项、授权美国发明专利1项。以第五完成人获得国家自然科学奖二等奖,第一完成人获得北京市自然科学奖二等奖,获霍英东青年科学奖二等奖,中国体视学学会青年科技奖,强国青年科学家提名,NR45 Young Innovator。


文章信息


Gao L, Chen Z, Chen C, et al. Silicon-processes-compatible contact engineering for two-dimensional materials integrated circuits. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6167-z.



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