基于二维材料的电子器件中的金属接触优化

The creation of good electrical contacts to two dimensional materials in devices is of key importance to obtain high drain current, strong photo-response and reliable high frequency operations. However, the electrical contacts to phosphorene and layered molybdenum disulfide are mostly of Schottky type, non-ideal for high-performance devices. Therefore, it is necessary to optimize the metal contact of phosphorene and layered molybdenum disulfide. By density functional theory (DFT) and quantum transport calculations, we will analyze the approaches to optimize the electrical contact, including using two dimensional metals, insertion, and seamless connection. Then we introduce these approaches to the low-power application – tunneling field effect transistors. We expect greatly improved performance of phosphorene and layered molybdenum disulfide transistors after electrical contact optimization. This study will provide a theoretical reference for the design and fabrication of future high-performance and low-power electronic applications based on two dimensional materials.

在基于磷烯、层状二硫化钼等二维材料的半导体器件中，良好的电极接触对于获得大的开态电流、强的光响应以及高频率运行等都非常关键。然而，磷烯、层状二硫化钼等与体材料的金属电极的接触并不理想（一般为接触电阻很高的肖特基型接触），是限制器件性能的重要因素。为了提高器件性能，有必要对二维材料-金属这一界面进行优化。本项目将利用密度泛函理论计算和量子输运模拟方法，先分析比较采用二维金属材料做电极、插层以及相操控等优化磷烯、层状二硫化钼的电极接触的方法，再探索将这些优化方法引入到基于二维材料的低功耗器件—隧穿场效应管上的可行性。本项目关于二维材料的电极接触优化和隧穿场效应管的研究，将为未来高表现和低功耗电子器件设计与制备提供参考。

二维半导体材料在后硅时代的超短晶体管中有重要的潜在应用，但其与金属电极的接触问题制约着器件的性能。我们利用密度泛函理论方法计算了黑磷烯及其类似物、二维Bi2O2Se及其类似物等电子材料的电学、力学特性，弄清了这些沟道材料的基态性质；预测了二维金属材料如硼烯、二维碳氮化合物等应用于黑磷烯、WSe2等晶体管的电极材料时不同于三维电极材料的机理，给出了不同电极构型、沟道构型对器件性能的影响规律；探索了基于二维材料的先进电极结构在锂电池方面的应用；预测了黑磷烯、Bi2O2Se、ReS2等适用于亚10 nm甚至亚5 nm晶体管的沟道材料。我们的研究结果对于下一代高性能晶体管的设计具有理论指导意义。依托本项目发表的论文中，有一篇进入了高被引论文，一篇进入了Nanoscale年度热门论文集。