據新加坡科技大學（SUTD）的研究人員稱，最近發現的一個二維（2D）半導體家族可以為高性能和高能效的電子產品鋪平道路。他們的研究結果發表在《二維材料與應用》(npj
2D Materials and
Applications)上，可能會因此發展出適用於主流電子和光電子的半導體器件，甚至有可能完全取代硅基器件技術。
在尋求電子設備小型化的過程中，一個眾所周知的趨勢是摩爾定律，它描述了計算機集成電路中的元件數量如何每18個月增加一倍。這一趨勢之所以能夠實現，是因為晶體管的尺寸不斷縮小，其中一些晶體管非常小，以至於數百萬個晶體管可以擠在一個指甲蓋大小的芯片上。但是，隨着這一趨勢的繼續，工程師們開始努力解決硅基設備技術固有的材料限制。
(左圖）金屬接觸MoSi2N4單層的圖解。當金被用作MoSi2N4的電極材料時，會形成肖特基接觸。另一方面，通過使用鈦電極可以實現高能效的歐姆接觸。
(右圖）在這項工作中研究的MoSi2N4和WSi2N4金屬接觸的”斜率參數”S與其他種類的二維半導體相比是最低的，這表明MoSi2N4和WSi2N4在電子器件應用中具有強大的潛力。
由於量子隧道效應，將硅基晶體管縮得太小將導致高度不可控的設備行為，”領導這項研究的SUTD助理教授Ang Yee Sin說。”人們現在正在尋找超越’硅時代’的新材料，而二維半導體是一種有希望的候選材料。”二維半導體是只有幾個原子厚的材料。由於其納米級的尺寸，在尋求開發緊湊型電子設備的過程中，此類材料是替代硅的有力競爭者。然而，許多目前可用的二維半導體在與金屬接觸時受到高電阻的困擾。
“當你在金屬和半導體之間形成接觸時，往往會出現我們所說的肖特基屏障，”Ang解釋說。”為了迫使電力通過這個屏障，你需要施加一個強大的電壓，這就浪費了電力併產生了廢熱。
這激起了研究小組對歐姆接觸的興趣，這是沒有肖特基屏障的金屬半導體接觸。在他們的研究中，Ang和來自南京大學、新加坡國立大學和浙江大學的合作者表明，最近發現的二維半導體家族，即MoSi2N4和WSi2N4，與金屬鈦、鈧和鎳形成歐姆接觸，這些金屬在半導體設備行業中被廣泛使用。
此外，研究人員還表明，這些新材料不存在費米級釘扎（FLP），這個問題嚴重限制了其他二維半導體的應用潛力。
“FLP是一種發生在許多金屬-半導體接觸中的不利影響，是由接觸界面上的缺陷和複雜的材料相互作用造成的，”Ang說。”這種效應將接觸的電性能’釘’在一個狹窄的範圍內，而不管接觸中使用的是什麼金屬。”由於FLP，工程師們無法調整或調節金屬和半導體之間的肖特基勢壘–減少了半導體設備的設計靈活性。
為了最大限度地減少FLP，工程師們通常採用一些策略，如非常輕柔和緩慢地將金屬置於二維半導體的頂部，在金屬和半導體之間創建一個緩衝層，或使用二維金屬作為與二維半導體的接觸材料。雖然這些方法是可行的，但它們還不實用，而且與使用當今主流工業技術的大規模製造不兼容。
令人驚訝的是，Ang的團隊表明，MoSi2N4和WSi2N4由於有一個惰性的Si-N外層，屏蔽了底層半導體層在接觸界面上的缺陷和材料相互作用，所以自然地受到FLP保護。
由於這種保護，肖特基勢壘是”無釘”的，可以被調整以符合廣泛的應用要求。這種性能的提高有助於使二維半導體成為硅基技術的替代品，像台積電和三星這樣的大公司已經對二維半導體電子產品表示了興趣。
Ang希望他們的工作將鼓勵其他研究人員探測新發現的二維半導體家族的更多成員的有趣特性，甚至是那些具有電子以外的應用。其中一些可能在電子學應用方面非常差，但在自旋電子學、光催化劑或作為太陽能電池的構建塊方面非常好。下一個挑戰是系統地掃描所有這些二維材料，並根據它們的潛在應用對它們進行分類。