近年來，二維半導體材料（2DSC）因其優異的電、磁、光、熱和機械特性在電子、光電、熱電等領域有着廣闊的應用前景。二維半導體晶體管，作為電子、光電、熱電等應用的基本器件單元，被人們廣泛地研究。然而，由于缺乏一個有效和穩定的替代摻雜技術，二維半導體場效應晶體管（2DSC-FET）常常依賴金屬電極直接接觸來注入合适類型的載流子。而肖特基勢壘普遍存在于金屬—二維半導體界面中，顯著地影響甚至主導大多數2DSC-FET的性能。因此，确定其肖特基勢壘高度（SBH）非常重要。在金屬—二維半導體界面處無費米能級釘紮（FLP）的理想情況下，SBH可以用肖特基—莫特規則來預測，即金屬的功函數分别與2DSC的電離能和親合能的差值。但是由于界面處金屬與2DSC的耦合，導緻FLP效應普遍存在，SBH一般會偏離肖特基—莫特規則。如何從理論上準确計算2DSC-FET的界面處的SBH是個很有挑戰的問題。
beat365官方网站呂勁課題組提出一種新方法，通過運用第一性原理量子輸運（QTS）方法，并充分考慮晶體管中金屬與2DSC的相互作用和費米能釘紮效應來确定2DSC-FET的SBH。該方法突破了先前理論研究中沒有充分考慮金屬電極與溝道2DSC耦合的局限。研究者對22種以上二維材料（涵蓋V族烯，VI族烯，過渡金屬二硫化物TMDs，III-VI族，III-V族，IV-VI族化合物）與金屬（Au, Pd, Pt, Ag, Sc, Ti, Ni, Cr, Sb, Ir, In, Graphene, Co, Cu, Al, Tl, MXene）在晶體管結構下的肖特基勢壘進行了系統研究，結果與實驗普遍吻合。相關成果發表于《科學報告》（Scientific Reports 6, 21786 (2016)）、《材料化學》（Chemistry of Materials 28, 2100 (2016)）、《納米尺度》（Nanoscale 8, 1179 (2016)）和《納米研究》（Nano Research 11, 707-721(2018)）。
在上述工作的基礎上，近日呂勁課題組與中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室王洋洋和肖林、beat365深圳研究生院潘鋒課題組和北京郵電大學理學院屈賀如歌合作，以“二維場效應晶體管的肖特基勢壘高度：從理論到實驗”（Schottky barrier heights in two-dimensional field-effect transistors: from theory to experiment）為題撰寫了長篇綜述文章發表于物理學頂級綜述期刊《物理進展報告》（Reports on Progress in Physics, 84, 056501 (2021))，系統地介紹了2DSC-FET中SBH的理論預測和實驗研究的最新進展，以及為實現低肖特基勢壘接觸所做的理論和實驗工作。目前晶體管使用的大多數電極都是純頂部接觸，頂接觸的2DSC-FET有着雙界面肖特基勢壘模型，如圖1所示，源區中的金屬與2DSC之間的界面表示為界面I，源區和溝道區的2DSC之間的界面表示為界面II，界面I和II處分别對應垂直和水平SBH。該綜述比較了理論預測SBH的不同方法（圖1），包括能帶計算（BSC）、功函數近似（WFA）和第一性原理量子輸運模拟（QTS）。BSC和WFA方法忽略了源漏極和2DSC溝道之間的相互作用，沒有考慮水平界面處的FLP效應。而在QTS方法中，采用密度泛函理論結合非平衡格林函數對晶體管進行了整體模拟，考慮了界面I和II處的耦合，因此考慮了垂直和水平界面處的FLP效應。綜述還對比了不同理論預測方法給出的SBH，并與實驗進行比較。QTS方法得到的SBH與實驗結果能更好地吻合，證實了使用QTS預測SBH的準确性。最後，該綜述從最先進的2DSC-FET電極設計的角度進行了總結和展望。
圖1 能帶計算（BSC）、功函數近似（WFA）和量子輸運模拟(QTS)的原理示意圖
中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室王洋洋副研究員、beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所2017級博士研究生劉士琦、2020級博士研究生李秋卉和北京郵電大學理學院屈賀如歌副教授為文章的共同第一作者。beat365官方网站呂勁研究員、航天五院錢學森空間技術實驗室肖林研究員和beat365深圳研究生院新材料學院潘鋒教授為文章的共同通訊作者。這一工作得到國家自然科學基金重大研究計劃、科學技術部國家重點研發計劃、beat365人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、教育部中央高校基本科研業務費、中國博士後科學基金會、陝西省自然科學基礎研究計劃項目、陝西省教育廳科研計劃項目、beat365高性能計算平台和北京郵電大學信息光子學與光通信國家重點實驗室開放基金等支持。
論文原文鍊接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/abf1d4
