Nature: 半金属和单层半导体之间的超低接触电阻

第一作者：Pin-Chun Shen, Cong Su, Yuxuan Lin, Ang-Sheng Chou

通讯作者：Pin-Chun Shen, Lain-Jong Li，Jing Kong

通讯单位： 麻省理工学院(MIT)，台湾积体电路制造公司(TSMC)

先进的超越硅电子技术既需要通道材料，也需要发现超低电阻接触。原子薄的二维半导体具有实现高性能电子器件的巨大潜力。但是，到目前为止，由于金属引起的间隙态(MIGS)，金属-半导体界面处的能垒(从根本上导致高接触电阻和较差的电流传输能力)限制了二维半导体晶体管。最近， 麻省理工学院(MIT)Pin-Chun Shen和Jing Kong，台湾积体电路制造公司(TSMC)Lain-Jong Li 等人 在国际知名期刊 “Nature” 发表题为 “Ultralow contact resistance between semimetal and monolayer semiconductors” 的研究论文。他们报道了半金属铋与半导体单层过渡金属硫化合物(TMDs)之间的欧姆接触，其中MIGS被充分抑制，TMD中的简并态与铋接触形成。通过这种方法，他们在单层MoS2上实现了零肖特基势垒高度，接触电阻为123欧姆微米，通态电流密度为1135微安/微米。就他们所知，这两个值分别是尚未记录的最低和最高值。他们还证明了可以在包括MoS2、WS2和WSe2在内的各种单层半导体上形成出色的欧姆接触。他们报道的接触电阻是对二维半导体的实质性改进，并接近量子极限。这项技术揭示了与最新的三维半导体相媲美的高性能单层晶体管的潜力，从而可以进一步缩小器件尺寸并扩展摩尔定律。

图1：半金属-半导体接触的间隙态饱和的概念

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03472-9

手性纳米光子界面Chiral nanophotonic interfaces，能够实现导向光学模式和圆形二向色材料之间传播方向相关的相互作用。界面手性的电调谐，将有助于片上光电和光子电路主动、可切换非互易性，但仍然极具挑战。

近日，美国 芝加哥大学 Alexander A. High团队在Nature Photonics上发文，报道了在原子薄单层二硒化钨tungsten diselenide（WSe2）纳米光子界面中的电可控手性。二氧化钛波导直接制作在低无序氮化硼封装的WSe2表面上。在积分之后，从激子态到波导中的光致发光，可以在平衡发射和定向偏置发射之间电切换。工作原理利用了WSe2中激子态掺杂相关的谷极化。此外，纳米光子波导,可以用作扩散激子通量的近场源，其显示从界面手性继承的谷和自旋极化。这种多功能制造方法，使光子学与范德瓦尔斯异质结构的确定性集成成为可能，并可提供对其激子和电荷载流子行为的光学控制。

Electrically controllable chirality in a nanophotonic interface with a two-dimensional semiconductor

二维半导体的纳米光子界面中的电控手性。

图2：界面静电调谐。

图3：谷极化的栅极依赖性。

图4：谷（自旋）极化激子通量的光子泵浦。

该项研究演示了与六方氮化硼hexagonal boron nitride,hBN封装的、电门控WSe2单层连接的光子波导。界面表现出从0%到20%电可调手性-定向耦合效率chiral–directional coupling efficiency，CDCE，并通过近场激发产生谷（自旋）极化激子通量。

除了线性波导，多功能纳米光子制造方法，可以将过渡金属硫化物TMDCs与更复杂的光子结构连接，其中器件几何形状和尺寸仅，受先进光刻技术限制，使光子环调制器和干涉仪，以及光子晶体中的激子-极化激元成为可能。

结合二维材料大面积生长、剥离和组装的最新进展，这将提高异质结构产量和可扩展性，超越目前限制，这项工作，为其与纳米光子电路的确定性、晶圆级集成，建立了一个通用平台。

重要的是，该界面的可调手性（以前在其他手性光学界面中无法获得）依赖于过渡金属硫化物TMDC单层中激子态掺杂相关的谷动力学。多层和扭曲的范德瓦尔斯异质结构，展示了设计的、奇异的谷特性，也可以与这种波导界面相结合，用于额外手性功能，如栅极可逆发射路由，并提供基于二维材料的新光子逻辑和控制方案。

此外，原子薄半导体中，激子扩散的纳米光子驱动，在分布式光子元件和局部激子电路之间建立了一座桥梁。此外，通过手性过渡金属硫化物TMDC–光子界面的近场光泵浦，可用于产生单层中驻留电荷载流子的自旋极化。这种光学制备的自旋极化电子态，对载流子掺杂水平敏感，可以打破界面时间反演对称性，实现集成纳米光子结构中的栅极激活全光非互易性。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41566-022-00971-7

DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-022-00971-7

本文译自Nature。

价格太昂贵。

首先，你所说的三五族(III-V族)半导体器件性能很高，这里的“性能”并不是集成电路的器件所需要的性能。

III-V族半导体器件性能高，主要还是说III-V族半导体材料用做发光器件、功率器件或微波射频器件时，发光效率高，反向耐压高或导通电阻低吧？而集成电路不需要发光，所以光效高用不上；集成电路比如CPU工作电压才1V，III-V族器件动辄几百伏上千伏的耐压不需要；而集成电路的基本单元是NMOS和PMOS构成的CMOS电路，在工作的时候只有电位改变，器件根本不导通，所以导通电阻低也没啥用。综上，III-V族半导体材料用到集成电路里和硅相比没啥特别优势吧？

其次，硅可以说是神赐予人类的材料，有非常多优良性质，也只有硅单晶的这些性质，才能够使大规模集成电路成为可能。

1.硅可使用熔融法拉单晶，单晶尺寸很容易做大，并且制备的硅晶圆纯度极高，位错密度极低。

硅单晶纯度99.999999999%(11个9，11N)，GaN单晶纯度7N

硅单晶穿线位错是个位数量级，甚至有无位错硅单晶，而GaN单晶穿线位错密度在每平方厘米百万量级

硅可以做到12寸晶圆，GaN单晶只有4寸

并且因为GaN无法使用熔融法拉单晶，制造成本很高，6寸硅晶圆150元/片，2寸氮化镓晶圆1万元/片

2.硅可以通过热氧化制出厚度极均匀，密度极高的二氧化硅绝缘膜。

集成电路的基元是MOSFET，这种器件的栅极控制器件通断，金属和半导体之间需要一层氧化物形成特殊的能带结构，以便于用栅极电压控制源漏电路的通断

而集成电路规模越大，器件尺寸越小，需要的栅极氧化物也越薄，这个时候栅极氧化物的均匀性就非常重要

通过控制硅晶圆表面温度均匀性，可以在12寸硅晶圆表面通过高温热氧化形成厚度均匀性在纳米量级的二氧化硅层，使大规模集成电路成为可能。可以做一个类比，如果硅晶圆面积和地球表面积一样大，那么就相当于在地球表面形成一层厚度均匀性在1m以内的土墙，这样一想是不是觉得蛮不可思议的

当然现在有了原子层沉积技术，对于III-V族氮化物形成均匀膜层也并非不可能，但是膜层密度和制造成本相较硅还是高很多

3.在地球上硅储量及其丰富，价格及其便宜。

地壳中的元素含量依次是氧，硅，铝。。。

硅元素含量排第二位，比如沙子基本就是二氧化硅，而硅晶圆的原材料其实就是沙子

Ga这种元素就少多了，而且开采很不容易，一般都是铝矿的伴生矿，现在1kg大概3000元的样子，想想1kg沙子多少钱，就知道如果CPU变成GaN做的你还有没有可能用得起了。。

最后，我要说明一下，虽然有上述问题，让III-V族材料难以广泛应用于大规模集成电路，但是并不是说III-V族半导体材料就完全没机会。

III-V族半导体材料可以制备高性能光电、功率和微波射频器件，控制这些器件的电路如果用硅集成电路来做，需要用bonding做电链接，难以小型化，还会有其他一些问题

如果能直接使用III-V族半导体材料做逻辑电路，哪怕关键尺寸(CD)不像硅那么小(就是平时说的14nm制程，GaN一般在1μm，也就是说同样面积可以放100个硅MOS，只能放1个GaN器件)，成本高一点，也不是不能接受，所以一直有人在往这个方向努力

这不是2021年热乎的nature子刊文章出来了，港科大研究团队在硅基氮化镓上系统验证了小规模GaN逻辑电路[1]

2021年III-V族半导体逻辑电路才刚完成验证，距离应用推广应该还有几年，我是很期待这个技术方向以后的发展的，大家一起拭目以待吧，说不定技术的发展以后就推翻了III-V族半导体材料不能应用于大规模集成电路的这个判断了呢？

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