[論文レビュー] Designing Efficient Metal Contacts to Two-Dimensional Semiconductors MoSi$_2$N$_4$ and WSi$_2$N$_4$ Monolayers

Qianqian Wang, Liemao Cao+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2020

2D Materials and Applications参考文献 54被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、モリブデンシリカナイド窒化物（MoSi₂N₄）および tungstenシリカナイド窒化物（WSi₂N₄）の単層膜が金属と接触する際、フェルミ準位ピンナップが顕著に抑制され、スチャットキー準位障壁高さ（SBH）が顕著にチューナブルであることを示している。これは記録的なSBH勾配パラメータS = 0.7を達成している。この抑制は、半導体コアを保護する天然のSi-N層に起因し、接触抵抗が低く、チューナビリティが向上した2次元ナノエレクトロニクス素子の高性能化を可能にしている。

ABSTRACT

Metal contacts to two-dimensional (2D) semiconductors are ubiquitous in modern electronic and optoelectronic devices. Such contacts are, however, often plagued by strong Fermi level pinning (FLP) effect which reduces the tunability of the Schottky barrier height (SBH) and degrades the performance of 2D-semiconductor-based devices. In this work, we show that monolayer MoSi$_2$N$_4$ and WSi$_2$N$_4$ - a recently synthesized 2D material class with exceptional mechanical and electronic properties - exhibit strongly suppressed FLP and wide-range tunable SBH when contacted by metals. An exceptionally large SBH slope parameter of S=0.7 is obtained, which outperform the vast majority of other 2D semiconductors. Such surprising behavior arises from the unique morphology of MoSi$_2$N$_4$ and WSi$_2$N$_4$. The outlying Si-N layer forms a native atomic layer that protects the semiconducting inner-core from the perturbance of metal contacts, thus suppressing the FLP. Our findings reveal the potential of MoSi$_2$N$_4$ and WSi$_2$N$_4$ monolayers as a novel 2D material platform for designing high-performance and energy-efficient 2D nanodevices.

研究の動機と目的

• 2次元半導体金属接合におけるフェルミ準位ピンナップ（FLP）という長年の課題に取り組み、デバイスのチューナビリティと性能を制限する要因を解消すること。
• 最近合成された2次元材料であるMoSi₂N₄およびWSi₂N₄の接触特性を調査し、高性能ナノエレクトロニクスへの応用可能性を検討すること。
• これらの材料が有する特異的な原子構造が、フェルミ準位ピンナップを抑制し、スチャットキー準位障壁高さ（SBH）の広範囲でのチューニングを可能にするかを特定すること。
• MoSi₂N₄およびWSi₂N₄が、最適化された金属接合を備えたエネルギー効率の高い2次元ナノデバイスの新規なプラットフォームとしての可能性を評価すること。

提案手法

• 金属接合のモデル化に、第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• チューナビリティの評価のために、さまざまな金属の仕事関数に対してスチャットキー準位障壁高さ（SBH）を計算した。
• フェルミ準位ピンナップ（FLP）効果は、SBHを金属の仕事関数で微分した勾配パラメータSとして定量化した。
• FLP抑制の原因を理解するために、金属／2次元半導体界面における電子構造および電荷移動を分析した。
• Si-N層が保護的キャッピング構造として果たす役割を、電荷密度およびバンド構造の分析を通じて検討した。
• MoSi₂N₄およびWSi₂N₄の性能をベンチマークするため、他の2次元半導体との比較分析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MoSi₂N₄およびWSi₂N₄単層膜は、金属と界面を形成する際、フェルミ準位ピンナップを最小限に抑えつつ、顕著にチューナブルなスチャットキー準位障壁高さ（SBH）を実現できるか？
• RQ2 他の2次元半導体と比較して、MoSi₂N₄およびWSi₂N₄におけるフェルミ準位ピンナップの抑制の原因は何か？
• RQ3 これらの材料に特徴的なSi-N層は、金属接合における電子的結合性および界面特性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 これらの材料において、異なる金属の仕事関数に対してスチャットキー準位障壁高さはどの程度チューニング可能か？
• RQ5 MoSi₂N₄およびWSi₂N₄は、従来の2次元半導体に比べ、接触効率およびデバイスのチューナビリティにおいて優れているか？

主な発見

• MoSi₂N₄およびWSi₂N₄単層膜は、顕著に高いスチャットキー準位障壁高さ（SBH）勾配パラメータS = 0.7を示しており、強いチューナビリティと顕著なフェルミ準位ピンナップの抑制を示している。
• フェルミ準位ピンナップの抑制は、半導体コアを直接金属と接触から保護する天然のSi-N層に起因している。
• Si-N層は界面欠陥状態を低減させ、電荷移動を最小限に抑え、安定的かつ予測可能なスチャットキー準位障壁の形成を可能にしている。
• これらの材料におけるSBHは、広範囲にわたる金属の仕事関数に対して線形的依存を示し、高いチューナビリティを確認している。
• 他の多くの2次元半導体と比較して、MoSi₂N₄およびWSi₂N₄は優れた接触特性を示しており、高性能ナノエレクトロニクス素子への有望な候補である。
• 本研究の結果から、これらの材料の固有の原子構造が、複雑な表面処理やドーピングを要せず、内在的な接触工学を実現可能であることが示唆された。