背景介紹
二維材料器件的電學(xué)接觸是影響器件性能的重要因素。目前，已有諸多報導(dǎo)致力于理解并減小金屬電極-二維材料的接觸電阻，如UCLA段鑲鋒組提出的范德華接觸，以及近期MIT孔靜、臺積電李連忠和臺灣大學(xué)吳志毅采用Bi與MoS2接觸取得的123 Ω/μm接觸電阻。然而，除接觸電阻外，對于電學(xué)接觸對器件性能產(chǎn)生的其他物理效應(yīng)，以往的研究中卻鮮有關(guān)注。
另外，在以往的研究中，MoS2等過渡金屬硫化物場效應(yīng)晶體管器件輸出曲線在大的源漏電壓下極易出現(xiàn)電流飽和，這種電流飽和被認(rèn)為是載流子速度飽和，自熱效應(yīng)等因素所致，奇怪的是，不同課題組所展示的飽和電流差別極大，其差別從數(shù)十nA/μm至數(shù)百μA/μm不等，這種飽和電流的差異難以用常規(guī)的載流子速度飽和等機(jī)制來解釋。本工作首次對電學(xué)接觸處的寄生場效應(yīng)進(jìn)行研究，證實除接觸電阻外，寄生場效應(yīng)對于器件電學(xué)特性具有重要影響，是導(dǎo)致器件輸出曲線過早飽和的原因。
研究方法 本工作采用理論模擬與實驗相結(jié)合的方式，理論部分采用半導(dǎo)體計算機(jī)輔助設(shè)計建模，實驗部分包括微納加工和電學(xué)測量。 成果簡介 首次提出了二維材料器件電學(xué)接觸中寄生金屬-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的場效應(yīng)，尤其對于原子層厚度的導(dǎo)電通道，接觸處寄生場效應(yīng)使得源端和漏斷分別產(chǎn)生載流子的耗盡（甚至反型）和累積，源端耗盡的產(chǎn)生使得溝道電阻急劇增加，電壓降重新分布而產(chǎn)生明顯的電流飽和；通過精巧的實驗設(shè)計，以非對稱電極的結(jié)構(gòu)控制電流飽和的產(chǎn)生，從實驗上證明了電學(xué)接觸寄生場效應(yīng)的機(jī)制，進(jìn)而提出電極形貌對器件性能的影響，尤其對于短溝二維材料場效應(yīng)晶體管而言，接觸電極的形貌對器件性能有至關(guān)重要的影響，包括開態(tài)電流、開關(guān)比、亞閾值擺幅和漏致勢壘降低；電學(xué)接觸寄生場效應(yīng)導(dǎo)致的非線性電流飽和還可用于在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路中，以非線性提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路的擬合能力，能夠更好地還原鐘南山和騰訊AI實驗室發(fā)展的COVID-19重癥預(yù)測模型。 圖文導(dǎo)讀 圖1：（a）電學(xué)接觸寄生MIS結(jié)構(gòu)和場效應(yīng)示意圖。(b) 電子濃度和(c) 電壓降分布 。(d) 等效電路圖。(e) 等效電路圖的IV曲線。(f) TCAD模擬的輸出曲線，可看到明顯的電路飽和。在不考慮電學(xué)接觸寄生MIS結(jié)構(gòu)和場效應(yīng)時。(g) 電子濃度示意圖 (h) 電壓降分布圖和 (i) 輸出曲線，未見電流飽和。 圖2：（a）底柵MoS2場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移曲線， （b）底柵MoS2場效應(yīng)晶體管的輸出曲線，注意此處的飽和并非由于pintch-off效應(yīng)所引起的，此時Vg>>VT ，（c）非對稱電極MoS2場效應(yīng)晶體管SEM圖片，使得源漏兩端的接觸電阻有明顯的差異。（d）非對稱電極MoS2場效應(yīng)晶體管轉(zhuǎn)移曲線。（e）非對稱電極MoS2場效應(yīng)晶體管輸出曲線，外部電極作為源，內(nèi)部電極作為漏 （f）非對稱電極MoS2場效應(yīng)晶體管輸出曲線，外部電極作為漏，內(nèi)部電極作為源。 圖3：石墨烯晶體管電學(xué)接觸的寄生場效應(yīng)的影響示意圖。與MoS2器件不同，石墨烯在源端受場效應(yīng)影響耗盡后會發(fā)生反型，表現(xiàn)為實驗中觀察到以內(nèi)部電極作為源極時，器件微分電導(dǎo)先下降，后上升，導(dǎo)致電流整體小于以外部電極作為源極時的電流。 圖4：電極形貌對于器件性能的影響。（a）使用鋰化延申源漏電極，使其遠(yuǎn)離金屬側(cè)壁，抑制電學(xué)接觸的場效應(yīng)。（b）（a）器件的轉(zhuǎn)移曲線。（c）（a）器件的輸出曲線，未觀察到明顯的電流飽和。（d）短溝道的器件模型 （e）普通電學(xué)接觸和延申結(jié)構(gòu)電學(xué)接觸短溝器件的轉(zhuǎn)移曲線 （f）不同結(jié)構(gòu)電學(xué)接觸短溝器件的性能對比，可以看到，改進(jìn)電極形貌可以有效提升短溝FET的器件性能。 圖5：電學(xué)接觸引起的電流飽和類似于非線性tanh函數(shù)，可用于在電路中的非線性單元，在必要時為電路引入非線性。（a）三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖，中間層神經(jīng)元以tanh或sigmoid函數(shù)引入非線性 （b）三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路示意圖。（c）鐘南山與騰訊AI實驗室的COVID-19重癥預(yù)測示意圖。（d）采用和不采用非線性時損失函數(shù)隨訓(xùn)練次數(shù)的變化。（e）不采用非線性單元時的擬合結(jié)果。（f）采用非線性單元時的擬合結(jié)果。 作者簡介 郭耀，北京理工大學(xué)；柴揚(yáng)，香港理工大學(xué)。 文章信息 Yao Guo*, Yan Sun, Alvin Tang, Ching-Hua Wang, Yanqing Zhao, Mengmeng Bai, Shuting Xu, Zheqi Xu, Tao Tang, Sheng Wang, Chenguang Qiu, Kang Xu, Xubiao Peng, Junfeng Han, Eric Pop & Yang Chai*. Field-effect at electrical contacts to two-dimensional materials. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3670-y.
