[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究证明，MoSi₂N₄ 和 WSi₂N₄ 单层在与金属接触时表现出极强的费米能级钉扎抑制效应和高度可调的肖特基势垒高度（SBH），实现了记录性的 SBH 倾斜参数 S = 0.7。这种抑制效应源于一种天然的 Si-N 层，该层保护了半导体核心，从而实现了接触电阻极低、可调性增强的高性能二维纳米电子器件。

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.

研究动机与目标

• 为解决二维半导体金属接触中长期存在的费米能级钉扎（FLP）问题，该问题限制了器件的可调性和性能。
• 研究近期合成的二维材料 MoSi₂N₄ 和 WSi₂N₄ 的接触特性，评估其在高性能纳米电子学中的潜在应用。
• 确定这些材料独特的原子结构是否能够抑制 FLP 并实现肖特基势垒高度（SBH）的宽范围可调性。
• 评估 MoSi₂N₄ 和 WSi₂N₄ 作为新型节能二维纳米器件平台的潜力，其金属接触具有优化特性。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，模拟金属在 MoSi₂N₄ 和 WSi₂N₄ 单层上的接触。
• 计算不同金属功函数下的肖特基势垒高度（SBH），以评估其可调性。
• 通过斜率参数 S 定量衡量费米能级钉扎（FLP）效应，S 定义为 SBH 对金属功函数的导数。
• 分析金属/二维半导体界面处的电子结构和电荷转移，以理解 FLP 抑制的起源。
• 通过电荷密度和能带结构分析，研究 Si-N 层作为保护性盖层的作用。
• 与其它二维半导体进行对比分析，以评估 MoSi₂N₄ 和 WSi₂N₄ 的性能基准。

实验结果

研究问题

• RQ1 当与金属界面接触时，MoSi₂N₄ 和 WSi₂N₄ 单层是否能支持高度可调的肖特基势垒高度并实现最小费米能级钉扎？
• RQ2 与其它二维半导体相比，MoSi₂N₄ 和 WSi₂N₄ 中费米能级钉扎被抑制的根源是什么？
• RQ3 这些材料中独特的 Si-N 层如何影响电子耦合及金属接触处的界面特性？
• RQ4 在这些材料中，肖特基势垒高度在不同金属功函数下可调制的范围有多大？
• RQ5 MoSi₂N₄ 和 WSi₂N₄ 在接触效率和器件可调性方面是否优于传统二维半导体？

主要发现

• MoSi₂N₄ 和 WSi₂N₄ 单层表现出极高的肖特基势垒高度（SBH）斜率参数 S = 0.7，表明具有强可调性且费米能级钉扎极小。
• 费米能级钉扎的抑制归因于一种天然存在的 Si-N 层，该层作为保护屏障，防止金属与 Mo/W-Si 半导体核心直接接触。
• Si-N 层减少了界面缺陷态并最小化了电荷转移，从而实现了稳定且可预测的肖特基势垒形成。
• 这些材料中的 SBH 在宽范围金属功函数下表现出与功函数的线性依赖关系，证实了其高可调性。
• 与大多数其他二维半导体相比，MoSi₂N₄ 和 WSi₂N₄ 展现出更优越的接触特性，使其成为高性能纳米电子器件的有力候选。
• 研究结果表明，这些材料的本征原子结构使其能够实现本征接触工程，而无需复杂的表面处理或掺杂。