基于非金属范德华接触的单层短沟道晶体管

二维（2D）半导体材料对短沟道效应具有优异的免疫特性，在超尺度场效应晶体管领域展现出广阔前景。然而，要实现超尺度晶体管，必须同时实现沟道长度的最小化和接触电阻的极低化，这对原子级厚度的二维半导体材料构成重大挑战。本研究开发了一种简易的倾斜蒸镀技术，用于制备具有非金属范德华（vdW）接触的超短沟道单层二维晶体管。通过精确控制物理气相沉积生长的非金属PbTe的蒸镀角度和厚度（该材料因其完美稳定的周期性晶体结构而具有超锐利边缘），可重复性地调控二维晶体管的沟道长度。

此外，由于PbTe的非金属接触特性，其与二维半导体之间几乎不存在金属诱导间隙态（MIGS），因此在异质结构界面处几乎不会产生额外的费米能级钉扎（FLP）效应。采用PbTe范德华接触的短沟道MoS₂晶体管展现出卓越性能，包括：优异的欧姆接触、接近玻尔兹曼极限的亚阈值摆幅、高达10⁹的开关电流比，以及可忽略的漏致势垒降低效应（DIBL）。该器件还可在0.01 V的低工作电压下保持10⁸的理想开关比，为构建基于二维材料的低功耗超尺度晶体管提供了创新技术路径。文章发表于ACS Nano（点击阅读原文查阅），DOI：10.1021/acsnano.5c01481

研究过程与结果

研究团队为了解决无损地制造出纳米尺度的短沟道，以及如何实现近乎无阻的欧姆接触两大挑战，提出了一种创新协同的技术路径——首先开始精密的材料设计与理论验证，团队选择物理气相沉积生长的二维碲化铅（PbTe）晶体作为核心材料，其完美的晶格结构赋予了它超锐利的边缘。通过第一性原理计算，他们从理论上证明了PbTe与单层MoS₂形成的范德华异质结具有关键优势：界面处能带发生有效杂化，且由于PbTe的非金属特性，金属诱导间隙态和费米能级钉扎效应几乎可被完全消除。

计算进一步揭示，电子会从PbTe自然转移到MoS₂，使其费米能级向导带底靠近，并预测了极低的隧穿电阻，这为形成高性能欧姆接触奠定了理论基础。随后，拉曼光谱、光致发光光谱和开尔文探针力显微镜的实验结果均一致证实了理论预测，观测到了显著的电荷转移和界面耦合，验证了PbTe与MoS₂形成理想接触的可行性。

基于DFT计算与实验的PbTe-MoS₂接触电子特性

（a）左：PbTe-MoS₂异质结构的投影能带图，点的大小反映了相对贡献度，费米能级设为零点参考；右：PbTe-MoS₂异质结构的投影态密度图。（b）PbTe-MoS₂异质结构的差分电荷密度图（右）与沿垂直方向的静电势分布（左），其中隧穿势垒宽度（Wₜ）和高度（Φₜ）分别为2.23 Å和4.1 eV，差分电荷密度通过接触后与接触前电荷密度相减计算得出，并叠加在原子结构上（绿色代表电荷增加，蓝色代表电荷减少），等值面水平设定为1×10⁻⁴ e·Å⁻³。（c）拉曼光谱与（d）光致发光光谱，对比了MoS₂与PbTe-MoS₂异质结构的光学特征。（e）PbTe-MoS₂异质结构的开尔文探针力显微镜形貌图及沿蓝虚线提取的表面电势分布。

在器件制备环节，研究团队开发了一种巧妙的倾斜蒸镀技术。他们利用二维PbTe晶体超锐利的边缘作为掩模版，通过精确控制蒸镀源的角度和掩模版的厚度，在阴影区域成功定义出长度可低至12纳米、且均匀性良好的超短沟道，实现了对沟道长度在10至80纳米范围内的可控制备。最终制备的晶体管采用顶栅底接触结构，以单层MoS₂为沟道，PbTe为源极，HfO₂作为高k栅介质，以增强栅极对超短沟道的静电控制能力。

采用倾斜蒸镀法制备的PbTe接触极短沟道单层MoS₂场效应晶体管

（a）极短沟道器件制备工艺流程示意图。（b）PVD生长二维材料与热蒸镀金属边缘的扫描电子显微镜图像。（c）分别采用（i）热蒸镀金属与（ii）PVD生长二维材料（PbTe）作为掩模版所获极短沟道器件的SEM图像，（iii）红虚线框区域内二维PbTe的高分辨透射电子显微镜图像。（d）相同蒸镀角度（θ=25°）下器件沟道长度随样品厚度的变化关系。（e）PbTe电阻率在2-400 K温区的变化曲线，插图为25 K以下PbTe电阻率变化趋势。（f）PbTe接触极短沟道单层MoS₂场效应晶体管的光学显微镜图像与（g）截面结构示意图。（h）沟道长度为12 nm的代表性单层MoS₂场效应晶体管截面TEM图像及（i）对应元素分布图。

对该晶体管进行的电学表征结果展现了突破性的性能。器件呈现出高达10⁹的开关电流比，以及低至78 mV/dec的亚阈值摆幅，后者已接近室温下的玻尔兹曼理论极限，表明了其锐利的开关特性。同时，器件表现出对短沟道效应的卓越免疫力，其漏致势垒降低值仅为约82 mV/V。尤为突出的是，即便在0.01 V的超低工作电压下，器件仍能维持10⁸量级的开关比，凸显了其在未来超低功耗应用中的巨大潜力。

具有PbTe范德华接触的短沟道单层MoS₂场效应晶体管电学特性

（a）短沟道单层MoS₂ 场效应晶体管的漏极电流-栅极电压转移特性曲线。（b）从转移特性曲线提取的不同漏极电压下的亚阈值摆幅。（c）短沟道单层MoS₂ 场效应晶体管的开关电流比与亚阈值摆幅性能基准对比，图中同时列出了不同沟道长度的已报道二维场效应晶体管的数据。（d，e）短沟道单层MoS₂ 场效应晶体管分别在室温与低温环境下测得的漏极电流-漏极电压输出特性曲线。

输出曲线的线性特征和变温测试分析共同证实，在器件开启时，PbTe与MoS₂之间的接触势垒高度为零，实现了近乎完美的欧姆接触。能带对齐分析清晰地阐明了其工作机制：在正栅压作用下，MoS₂能带向下弯曲，与PbTe接触后形成无势垒的导通路径；而在负栅压下，能带向上弯曲形成界面势垒，确保器件有效关断。

具有PbTe范德华接触的短沟道单层MoS₂场效应晶体管的温度依赖传输特性与能带对齐关系

（a）器件在不同温度下的典型漏极电流-栅极电压特性曲线。（b）阿伦尼乌斯曲线及（c）器件的能垒特性。（d）零栅压下PbTe与单层MoS₂接触前的能带对齐示意图。（e）PbTe范德华接触MoS₂短沟道场效应晶体管在关态与（f）开态时的能带结构示意图。

综上所述，本工作通过将“基于二维晶体的倾斜蒸镀纳米加工技术”与“非金属范德华接触工程”相结合，成功地同步攻克了二维半导体领域在超微缩尺度下面临的沟道定义与接触优化两大难题。所制备的晶体管在多项关键性能指标上均达到了国际领先水平，为实现基于二维材料的下一代高性能、低功耗纳米电子器件提供了一条明确且可行的技术路线。

PWmat在该工作中的重要作用

在该研究中，PWmat在实验开展之前就前瞻性地预测了PbTe-MoS₂异质结具有理想接触的核心特征（无MIGS/FLP、能带杂化、有效电荷转移和低隧穿电阻），为研究者选择PbTe这一非传统接触材料提供了充分的信心和理论指导。最终，所有实验数据都与PWmat的计算结果高度吻合，形成了“理论预测 → 实验验证 → 高性能器件”的完整闭环，极大地提升了研究成果的可靠性和说服力。

PbTe范德华接触MoS₂短沟道场效应晶体管器件的统计结果：（a）导通电流与（b）开关电流比相对于亚阈值摆幅的统计散点分布图

为了在选择之前，能降本增效得提前 预测PbTe是否比传统金属更具优势， 研究团队选择通过第一性原理计算，计算出PbTe-MoS₂异质结的投影能带结构，结果清晰地显示，异质结的导带底主要由MoS₂贡献，而价带顶主要由PbTe贡献，并且两者在界面处发生了能带杂化，这种杂化表明载流子可以在界面处高效地“混合”与传输，是形成良好欧姆接触的先决条件。随后通过计算投影态密度，直接证实了在异质结的带隙中，金属诱导间隙态（MIGS）可以忽略不计，这一计算结果是整个工作的理论核心，它从物理机制上解释了为什么使用非金属PbTe可以避免费米能级钉扎（FLP）——因为MIGS是导致FLP的根本原因。

PbTe-MoS₂异质结中不同原子对应的投影能带结构：（a）钼原子，（b）硫原子，（c）铅原子，（d）碲原子。

通过差分电荷密度计算，直观地展示了当PbTe与MoS₂接触时，电子从PbTe区域流向MoS₂区域，并精确量化了电荷转移密度。这一计算预测了电荷转移将使MoS₂的费米能级向导带底移动，实现n型掺杂效应，从而显著降低电子注入的肖特基势垒；同时在界面处会形成一个内建电场（BIEF），导致能带弯曲，最终有利于形成欧姆接触。

本研究中采用PbTe范德华接触的MoS₂场效应晶体管在不同漏源电压下的场效应迁移率

为了评估电荷穿过范德华间隙的难易程度，需要计算异质结的静电势分布用以分析。通过计算，得到了关键的隧穿势垒参数：宽度（Wₜ）为2.23 Å，高度（Φₜ）为4.1 eV。利用这些参数，研究人员进一步推导出了极低的隧穿电阻率，这个数值远低于使用薄绝缘层作为隧穿层的器件，从理论上预言了PbTe-MoS₂界面可以实现低电阻的欧姆接触。

除了界面研究，研究团队还计算了PbTe的能带结构，确认其为直接带隙（0.32 eV）半导体。这有助于理解PbTe本身作为高迁移率半导体材料的电学特性，为其作为电极接触材料的适用性提供了补充依据。

（a）基于DFT计算获得的PbTe能带结构。（b）532 nm激光激发的PbTe纳米片拉曼光谱。