原创 二元半导体有望“取代硅”变革电子和光电子制造

在电子器件及电子设备小型化道路上，摩尔定律像灯塔一样吸引着创新者，因为它描述了计算机集成电路中的组件数量每两年翻一番的大趋势。随著晶体管的不断缩小，工程师们不得不面对硅基器件技术固有的材料限制，探索发现硅替代品成为当下科技创新与研发的热点。

新加坡技术与设计大学（SUTD）的研究人员最近发现的二维（2D）半导体系列可以为高性能和节能电子产品铺平道路。研究人员展示了新发现的二维（2D）半导体家族如何由于存在内置的原子保护层而更加节能，他们的成果发表在npj二维材料与应用上，可能变革主流电子和光电子领域半导体器件的制造，甚至可能完全取代基于硅的器件技术。

（上） MoSi2N4 单层金属接触的插图。当黄金用作 MoSi2N4 的电极材料时，形成肖特基接触。另一方面，使用钛电极可以实现节能的Ohmic接触。

（下）与其他二元半导体相比，本研究的MoSi2N4和WSI2N4金属接触的"斜坡参数"S是最低的，这表明MoSi2N4和WSI2N4在电子器件应用方面具有很强的潜力。（图片来源于SUTD）

SUTD助理教授Ang Yee Sin说，“由于量子隧道效应，将硅基晶体管缩小太小会导致高度无法控制的设备行为，人们现在正在寻找超越‘硅时代’的新材料，2D半导体是一个很有前途的候选者。”

2D半导体是只有几个原子厚的材料。由于其纳米级尺寸，这些材料作为硅的替代品，是开发紧凑型电子设备的有力竞争者。然而，许多目前可用的二元半导体在与金属接触时都受到高电阻的困扰。

金属和半导体接触时会出现肖特基屏障现象，为了迫使电力通过这个屏障，需要施加一个强电压，这种电压会浪费电力并产生废热。这激起了团队对Ohmic接触的兴趣，或金属半导体接触没有肖特基屏障。

最近，南京大学、新加坡国立大学和浙江大学的合作者在研究中发现，2D半导体家族，即MoSi2N4和WSI2N4，与钛、镍等在半导体器件行业广泛使用的金属接触。研究表明，这种新材料不含费米级固定（FLP），这个问题严重限制了其他二元半导体的应用潜力。

FLP 是发生在许多金属-半导体接触器中的不利影响，是由接触界面的缺陷和复杂的材料相互作用造成的。这种效果将接触的电气特性固定在狭窄的范围内，而不管接触中使用的金属如何。由于FLP，工程师无法调整或调整金属和半导体之间的肖特基屏障，从而降低了半导体器件的设计灵活性。

为了最大限度地减少FLP，工程师采用的策略包括非常温和和缓慢地将金属定位在2D半导体顶部、在金属和半导体之间创建缓冲层或使用2D金属作为与2D半导体的接触材料等。虽然这些方法是可行的，但尚不实用，与当今主流行业技术的大规模制造不相容。

令人惊讶的是，Ang团队研究表明，MoSi2N4和WSi2N4由于惰性Si-N外层保护底层免受接触界面的缺陷和材料相互作用，因此自然地免受FLP的伤害。由于这种保护，肖特基屏障是”未夹住的“，可以进行调整以满足各种应用要求。

这种性能的改善有助于将2D半导体作为硅基技术的替代品投入运行，团队下一步将系统地扫描所有这些2D材料，并根据潜在应用进行分类。目前，台积电和三星等主要企业已经表达了对2D半导体电子的兴趣。