金属所SMALL：碳纳米管插层削强金属/半导体费米能级钉扎效应 – 质料牛

一、金属金属级钉导读

随着硅基晶体管逐渐迫远物理极限，碳纳体费锗基、米管米III-V战两维等新质料沟讲晶体管钻研受到普遍闭注，插层可是削强对于那些器件，金属/半导体界里上的半导费米能级钉扎效应每一每一带去小大的干戈电阻，从而降降器件功能。扎效以锗（Ge）基器件为例，应质尽管Ge具备赫然下于硅的料牛载流子迁移率，但对于金属/n-Ge界里处的金属金属级钉费米能级多少远残缺钉扎正在Ge价带边缘周围，从而产去世很小大的碳纳体费肖特基势垒下度战干戈电阻，为此，米管米必需调制费米能级钉扎效应。插层正在金属战Ge之间插进薄层是削强尾要的调制足艺之一，可是半导，正在古晨已经报道的格式中，干戈电阻依然受到残余势垒下度战插进层电阻的限度，同时费米能级钉扎机制也存正在着争议。

二、功能掠影

远日，中国科教院金属钻研所的科研职员提出了一种操做晶圆级碳纳米管（CNT）薄膜做为插进层调制金属/n-锗费米能级钉扎效应的格式，CNT薄膜正在不产去世赫然电阻的情景下实用降降了肖特基势垒下度，从而正在金属战沉异化n-Ge之间组成欧姆干戈，并患上到了已经报道的最小干戈电阻；同时，所制器件借提供了钻研钉扎机制的仄台，并批注正在该器件中金属迷惑间隙态机制是钉扎的主导机制。钻研功能于2022年5月13日正在《Small》正在线宣告，题为“操做碳纳米管插层削强金属/锗费米能级钉扎效应（Fermi-level depinning in metal/Ge junctions by inserting a carbon nanotube layer）”。

钻研职员回支浮动催化化教气相群散（FCCVD）格式，会集了不开薄度的小大里积CNT薄膜，并将其转印至Ge衬底，随后修筑金属/碳纳米管/锗重叠挨算（图1）。电教测试战统计阐收下场批注，随着CNT薄度的删减，该挨算闭态泄电流先删减、后减小，并正在峰值处患上到准欧姆干戈战接远0的肖特基势垒下度，进而患上到正在金属战沉异化n-Ge之间最小的干戈电阻（图2）。钻研职员感应，随着CNT薄膜薄度删减，顶层金属的金属迷惑间隙态效挑战费米能级钉扎削强，从而使泄电流删小大，而当CNT薄膜薄度进一步删减时，薄膜中CNT稀度及电子稀度也会删减，从而产去世新的钉扎效应，导致泄电流减小，那患上到了魔难魔难的验证，即随着CNT薄膜薄度及稀度的删减，CNT/Ge结闭态泄电流逐渐减小（图3）。基于此格式，钻研职员正在室温下制备出了晶圆级南北极管阵列，具备4.6×10⁴的下开闭比战劣秀的黑中吸挑战器件仄均性（图4）。该足艺提供了一种调制金属/半导体费米能级钉扎的新格式，为去世少新型沟讲质料晶体管钻研做出贡献。

中科院金属所专士去世魏玉宁为文章的第一做者，孙东明战刘驰为通讯做者。金属所刘畅团队制备了碳纳米管薄膜，杜金黑钻研员战专士去世佟专为质料表征提供了反对于。该钻研用意患上到了国家做作科教基金、中科院先导名目战沈阳质料科教国家钻研中间等名目反对于。

三、中间坐异面

1）操做晶圆级CNT薄膜做为插进层调制金属/n-锗费米能级钉扎，正在金属战沉异化n-Ge之间组成为了欧姆干戈战最小的干戈电阻；

2）为钻研费米能级钉扎机制提供仄台，提出正在该器件中金属迷惑间隙态机制是钉扎的尾要原因。

3）正在室温下制备了晶圆级南北极管阵列，停止了离子注进战下温退水，患上到4.6×10⁴的下开闭比战劣秀的黑中吸应。

四、数据概览

图1. 碳纳米管插进层工艺。a.将带有底部电极的Ge衬底、CNT薄膜战顶部电沉重叠制备Al/CNT/Ge结。b. Al/CNT/Ge结示诡计。c. Al/CNT/Ge结光镜图像（比例尺：50 μm）。d. FCCVD格式会集的碳纳米管薄膜（标尺：20 妹妹）。e. 12 nm碳纳米管薄膜的SEM图像（标尺：5 μm）。

图2. Al/CNT/Ge结的电教特色。a. 器件D1-D12的反背泄电流具备赫然好异。 b. 偏偏压为+1V时D1-D12泄电流的统计阐收图。c. 器件D1正在224.2-331.0 K变温测试下的I-V特色。 d. 器件D8正在224.2-331.0 K变温测试下与温度无闭的I-V特色。e. 圆形传输线模子挨算提与Al/CNT/Ge干戈电阻。 f. 思考衬底异化浓度的干戈电阻功能比力。

图3. 费米能级钉扎机制验证。a. CNT/n-Ge结示诡计。b. CNT/n-Ge结光镜图像（标尺：50 μm）。c. 不开CNT薄度同量结M1-M5的电流-电压特色。d. 结M1-M5开、闭态电流值战CNT插进层薄度比力图。

图 4. 光电南北极管阵列。a. 2英寸Ge晶圆上CNT薄膜（比例尺：1 cm）。 b. 南北极管阵列的光镜图像（标尺：200 μm）。c. 由Al/Ge肖特基结战Al/CNT/Ge欧姆构组成的南北极管挨算图。d. 南北极管阵列正在漆乌及1065 nm激光下的特色直线。

齐文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202201840

通讯做者简介：

孙东明，中科院金属所钻研员，国家细采青年科教基金患上到者、第十三届齐国人小大代表、中国科协第十届齐委。尾要处置碳纳米管战两维质料等纳米电子器件钻研，功能宣告于Science、Nature Nano.等教术期刊，进选2020年度中国半导体十小大钻研仄息、2021中国光教规模两十小大最具社会影响力使命等。

个人主页：

http://sourcedb.imr.cas.cn/zw/rck/yjy_imr/201309/t20130912_3930406.html

刘驰，中科院金属所名目钻研员，尾要处置异化维度同量挨算电子器件钻研，充真操做不开维度质料的下风，真现器件功能战功能的提降，功能宣告于Nature Co妹妹un.、Adv. Mater.战IEEE EDL战TED等期刊，进选Nature Co妹妹un. 2019年最受闭注的50篇物理类论文等。

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(责任编辑：别样视角)