文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c02616
亮点：
1.揭示接触尺寸对应变和接触电阻的影响：长接触引入较少的接触电阻，与短接触相比性能显著提升，为优化接触电阻提供了新方法。
2.热退火调控应变：热退火可以有效缓解接触诱导应变，提高长接触器件的接触电阻，展示了热处理在器件调控中的潜力。
3.探索热机械现象对2D材料的影响：通过应变与电性能的关联研究，展示了纳米制造与热预算在优化2D半导体器件中的重要作用。
摘要
二维（2D）电子器件需要低接触电阻（RC）以接近其性能极限。WS₂是一种有前景的2D半导体，通常配合Ni接触使用，但由于Ni功函数与WS₂导带之间的非理想对齐，其工作机制尚不完全清楚。在此研究中，我们研究了接触尺寸对纳米级单层WS₂晶体管的影响，并发现Ni接触引入的应变会影响WS₂器件的性能。WS₂上的应变取决于接触尺寸，其中长接触（1 μm，RC ≈ 1.7 kΩ·μm）相较于短接触（0.1 μm，RC ≈ 7.8 kΩ·μm），接触电阻降低了78%。我们还发现，热退火可缓解长接触器件中WS₂的应变，导致接触电阻增加至8.5 kΩ·μm。结果表明，热机械现象对2D半导体-金属接触具有显著影响，揭示了通过纳米制造和热处理优化器件性能的机会。
研究背景和主要内容
二维（2D）半导体，例如过渡金属二硫属化物（TMD），由于其原子级薄的特性和亚纳米薄膜中良好的电荷迁移率，引起了下一代电子产品的极大兴趣。单层二硫化钨（WS2）具有预测迁移率最高和带隙最大的TMD之一，可能实现良好的低功耗性能。然而， WS2基场效应晶体管（FET）的高接触电阻（RC）限制了其进一步发展。有多种技术已被证明可以将RC降低到n型 TMD，例如沉积半金属（例如 Bi 和 Sb），使用低熔点金属（例如 In 和 Sn），或转移接触，尽管其中许多方法被认为与工业不兼容。此外，n型 WS2接触落后于 MoS2，需要付出更多努力来研究亚微米尺寸下的性能。
原则上，金属-半导体界面处的RC取决于：（1）金属-半导体能带排列（包括费米能级钉扎），其中金属功函数（φm ）影响肖特基接触势垒，以及（2）金属沉积过程中产生的缺陷数量，该数量往往随着金属熔点的升高而增加或反应性，从而导致额外的费米能级钉扎。镍（Ni）通常用作n型 WS2的金属接触，已报道的 Ni 的最低RC在室温下低于 1 kΩ·μm。在我们的器件中，我们发现 Ni（图 1 a、b）与其他金属（如 Au、In、Sb（图 S1 ））相比，表现出最低的
RC。然而，WS2上 Ni 的低R C的原因尚不清楚，事实上，由于两个原因，这是违反直觉的：（1）Ni 具有较大的功函数（ϕ Ni ≈ 5.15 eV），与单层WS2的导带不太一致（图 1c）；（2）Ni 的高熔点（1455°C）表明 Ni 接触可能在物理气相沉积过程中在WS2中产生更多缺陷。
图 1. (a)单层 (1L) WS2器件示意图，其局部背栅上具有薄 HfO2和 Ni 触点，顶部覆盖有 Au。(b) (a) 中示意图的放大视图，显示了 Ni 沉积导致的 WS2中的应变。(c) 单层 WS2的带隙与某些块体金属和半金属的功函数 (ϕ m ) 的近似关系。EC表示导带边缘，EV表示 1L WS2的价带边缘。(d) 测量所有Lch = 200 nm 器件的I D与V GS曲线，其中LC = 1 μm（8 个器件）和L C = 0.1 μm（4 个器件），显示长接触时I D明显改善。箭头表示电压扫描方向，显示顺时针磁滞。
与金属功函数排列和金属诱导间隙状态对RC 的影响研究得较为深入不同，接触的机械效应研究得相对较少。薄金属膜在沉积时通常含有大量残余应力，尤其是 Ni。众所周知，二维半导体的能带结构对应变很敏感，最近的研究表明拉伸应变可以增加单层 MoS2和 WS2的电子迁移率。可以通过弯曲基板来施加应变，通过覆盖层，或在接触处。此外，这种薄膜中的应力可以通过热处理来改变，这可能会影响 2D 晶体管制造的整体热预算。因此，有必要探索应变在接触工程中的潜在作用，特别是在沉积 Ni 等高应力金属时（图 1 a、b）。
本研究揭示了应变在 Ni- WS
2界面起着重要作用，以及它如何影响器件跨导（gm = ∂ID / ∂VGS ）和RC。我们观察到电子束沉积的 Ni 对 WS2 沟道施加了高拉应力（图1b ）。这些应力与接触长度（LC）大致成正比，当沟道长度（ Lch ）为 50nm 时，长接触（ LC =1μm）的导通电流比短接触（LC =0.1μm）的导通电流增加约 2.64 倍（Lch = 1μm时增加约 1.37 倍）。长接触还会在 WS2 接触区域附近产生显著应变，导致 RC 降低 78% 。但是，我们观察到热退火会导致未封装器件中的应变松弛，导致退火后长接触和短接触器件的RC值几乎相同。这些观察突出了提高设备性能的新策略，并强调了热机械效应在评估不同接触材料中的重要作用。
我们研究了几种几何形状的单层 WS2器件，主要使用具有低等效氧化物厚度 (EOT) 绝缘体的局部背栅（见方法）。局部背栅（图 1a）通过从 2 nm/8 nm Ti/Pt（Pt 在顶部）剥离，然后进行 6 nm HfO2的热原子层沉积而形成图案。WS2在蓝宝石上单独生并转移到 HfO2上。通过 XeF2蚀刻对WS2沟道进行图案化，并使用电子束 (e-beam) 光刻技术定义L ch从 30 nm 到 1 μm 的转移长度法 (TLM) 结构。通过电子束蒸发在 ∼10 –8 Torr下沉积覆盖有 Au (20 nm) 的 Ni (15 nm)以形成接触。Ni/Au 薄膜的总应力为 160–175 MPa（表 S1 ）。电气测量在真空（∼
10 –4 Torr）下在 296 K 下进行。
由于接触所施加的应力随 LC 的增加而增加，对LC值为 0.1 和 1 μm 的接触进行图案化，以检查接触施加应力对器件性能的影响。如后面所述，短LC (0.1 μm) 是电流传输长度的两倍多，这表明电流拥挤不会影响器件行为。图1d 比较了在Lch = 200 nm 处测量的短 ( LC = 0.1 μm) 和长 ( LC = 1 μm) 接触器件的传输 ( ID与VGS ) 曲线。接触较长的器件具有更高的漏极电流、更大的负阈值电压 ( V T ) 和更大的gm。对于Lch = 200 nm的器件，我们发现，增加LC (0.1 至 1 μm) 会使中值ID,max (定义为所施加的VGS范围内的最大漏极电流I D )加倍，从 35.1 μA/μm 增加至 70.2 μA/μm，使中值V T负移 −0.1 V (从 0.9 增加至 0.8 V)，并使中值峰值g m从 32.7 μS/μm 增加至 54.3 μS/μm ( V DS = 1 V)。
为了理解这些变化，我们进行了有限元分析方法模拟，以揭示应力金属接触对 WS2沟道上应变分布的影响，该应变分布与L C和
L ch均有关。图 2a显示了LC = 1 μm 和不同Lch的 WS2器件中的面内应变分布。对于长沟道器件（L ch = 1 μm），WS2中的拉伸应变在接触边缘附近最高，并向通道中心衰减。随着Lch 的减小，接触边缘处的最大 WS2拉伸应变从 0.18%（L ch = 1 μm）增加到 0.49%（Lch = 30 nm）。支持信息第 3 部分对模拟进行了更详细的描述，其中还显示 WS 2中的应变主要是单轴的，沿电流流动的方向。
图2b 显示了当LC减小至 0.1 μm时 WS2中的应变。显然，最大拉伸应变比LC = 1 μm 时要低一个数量级，范围从 0.017% 到 0.03% 应变。这是因为触点中的应力主要由沉积条件决定，因此与触点几何形状无关。L C的总(压缩) 变化(触点对通道的拉力) 大约与标称L C成正比。因此，我们发现L ch和L C都会显著影响 WS 2沟道中的拉伸应变。L ch和L C之间的比率将决定整体应变曲线：即使在较短的LC下，随着L ch的缩小，通道中的应变也会增加。
我们利用光致发光 (PL) 光谱法验证了 WS2
沿沟道的应变分布（见支持信息第 4 部分）。由于 WS2中的拉伸应变通过降低导带来减少直接带隙，因此 PL 峰会随着拉伸应变而红移。为了探测远离接触边缘的 WS2 中的应变分布，我们沿 WS2 绘制了 PL 光谱，像素间距为 200 nm。图2c 显示了光学图像和 1.7–2.2 eV 范围内的积分强度，以准确确定接触位置（深蓝色）。测试设备是在 100 nm SiO2（在 Si 上）而不是金属局部背栅上制造的，以准确绘制共焦 PL 响应。对 PL 光谱进行了拟合（具有加权高斯-洛伦兹线形），并绘制了中性 A 激子峰相对于接触边缘的距离（图 2d ）。靠近接触边缘的WS2的 A 激子峰降低了 20 meV，与基于先前实验工作的 ∼0.5% 拉伸应变一致。WS2 PL峰值位置在距接触边缘约 1.5μm 处恢复到其标称值，说明了应力金属在WS2上施加的应变的横向衰减长度的上限。我们注意到这些测量受到衍射极限的限制，PL 无法探测金属触点下的 WS2。标称接触区域产生的信号是由于有限的激光光斑尺寸，它会从触点外部区域收集一些信号。
在图 2 e,f 中，我们还对L ch = 1 μm 和L C = 1 μm的器件进行了 PL 映射。通道中的 PL 峰值比标称 PL 峰值低 30 meV，这对应于材料中产生的 ∼0.7% 应变。图2f中 A 激子峰位置的轮廓与图 2a中通过模拟获得的沟道内和接触外部的预期应变轮廓相匹配，支持了我们的结论，即金属接触会在 WS2中引起应变（图 S4a、b）。
图 2. (a) 模拟沿着接触长度L C = 1 μm 和通道长度L ch = 1 μm、300 nm、100 nm 和 30 nm的器件的水平应变分布。为便于观察，位置x已通过L ch标准化。(b) 模拟沿着L C = 0.1 μm 和L ch = 1 μm、300 nm、100 nm 和 30 nm 的器件的水平应变分布。(c) 远离接触边缘的积分光致发光 (PL) 光谱强度图（右侧）。(d) 针对 (c) 中的图，测量 WS 2中的 A 激子峰与x坐标的关系。(e) L ch = 1 μm 和L C
= 1 μm的器件的积分 PL 光谱强度图，显示了接触的位置（深蓝色）。 (f) 测量(e) 图中WS 2的 A 激子峰与x坐标的关系。对于图 (d、f)，我们注意到，由于激光光斑尺寸有限（约 500 nm），绘制在接触区域下方的数据代表接触边缘外侧的 WS 2区域。由于顶部有金属层，因此无法探测到位于接触正下方的WS 2 。
如图1 d所示，g m和I D均强烈依赖于接触和沟道尺寸。图 3 a,b 中测量的转移曲线分别比较了Lch = 1 μm 和 50 nm 的长接触（ LC = 1 μm）和短接触（LC = 0.1 μm）器件。在所有Lch下，我们一致观察到长接触表现出更高的I D,max。对于长沟道（Lch = 1 μm），在固定过驱动电压（V ov = V GS – V T ）1.1 V 下，从L C = 0.1 μm 切换到L C = 1 μm时，导通电流（ I on ）的平均增加量为 1.35 倍（图 3 a、c）。相比之下，对于短沟道（L ch = 100 nm），长接触器件的I on增加了 2.67 倍（图 3 b、c）。图3c 总结了LC
对I on ( V ov = 1.1 V 时) 和L ch之间非线性关系的强烈影响：即，当具有长接触时，较短的沟道会显示出更大的I on增幅。这与图 2a中的模拟一致，其中较短沟道器件在WS2中表现出较大的拉伸应变。图3d 绘制了每个L ch处实验测得的中值峰值gm ，显示具有长接触的器件的峰值 gm 明显增加。当L ch很长( L ch = 1 μm)时，长接触的中值峰值gm会增加1.74倍(即应变更高)。在具有长 L ch 的器件中，其主要由沟道电阻R ch (例如，R ch > 10 R C )决定，因此可以合理地预期gm主要受迁移率的影响。因此， g m的增加归因于这种长沟道状态下迁移率的增加。这与最近的研究结果一致，这些研究发现拉伸应变可以减少单层 MoS2或 WS2导带中的谷间散射，从而提高迁移率。
根据我们的 TLM 结构，我们还使用两个L C值估算了R C（图 3e），发现长接触导致的RC明显低于短接触。对于我们的最佳 TLM 结构，较长的
LC在V ov = 2.3 V 时产生1.73 kΩ·μm 的RC。这与文献中现有的一些最佳 Ni 与单层 WS2接触一致，范围在 0.72 至 2.6 kΩ·μm 之间（参见表S3）。就其标称接触结构而言，这些研究相当于我们的“应变”长接触情况，其中 Ni 厚度 >15 nm，L C约为 1 μm。我们注意到，TLM 提取RC的方法假设所有L ch的薄层电阻相同，但这可能表现出对应变的某种依赖性。但是，确保 TLM 数据是在相同的V ov下获取的，并且在 TLM 中具有短沟道器件（此处，L ch < 100 nm）似乎足以估计R C，因为短沟道器件几乎完全受接触限制。
与长接触相比，我们的短接触在Vov = 1.8 V时具有7.8 kΩ·μm 的R C。我们注意到，我们的短L C（0.1 μm）远大于估计的传输长度L T ≈ 37 nm（支持信息第 6 部分），这表明较高的R C不是由于电流拥挤造成的，而是由于较短接触引起的 WS2 应变较低。R C的改善很可能源于接触附近区域的电子浓度较高。接触附近的高拉伸应变（图 2a）降低了导带，从而增加了电子浓度。长接触器件的V T也较低（低 −0.27 V）（图 S10b ），这与 WS2通道中的较大拉伸应变相一致，降低了导带边缘并增加了通道和接触中的电子密度。我们可以看到L C的差异显著影响了
R ch和R C，长接触使g m增加了 1.74 倍（我们将其归因于增强的迁移率）并使R C降低了 78%。
WS2等 TMD 中的拉伸应变会降低导带边缘，降低接触点处电子注入的肖特基势垒高度（SBH）。我们采用与温度相关的测量方法（图 S11、S12）量化了接触引起的应变对长（L C = 1 μm）和短（L C = 0.1 μm）接触的 SBH 的影响（图 3f ）。SBH 从短接触的 ϕ B ≈ 400 meV 降低到具有更大应变的长接触的 ϕ B ≈ 170 meV（对于图3f中绘制的单个器件）。比较三个长接触器件和三个短接触器件的测量结果显示，由于长接触引起的应变，平均势垒高度降低了 170 meV。这种大幅降低说明应变可以独立于金属功函数改变金属-2D 界面处的有效 SBH。R C 对应变和接触尺寸的这种依赖性经常被忽视，并且可能直接影响文献中报道的各种接触的表面性能。我们预计这些结果与其他 TMD 在质量上相似例如MoS2 和WSe2 这是因为它们的电子迁移率随着拉伸应变而提高。
图 3. (a) LC = 1 μm 和LC = 0.1 μm 器件（L ch = 1 μm ）的I D vs V GS曲线。箭头表示电压扫描方向，显示顺时针回滞。(b) L C = 1 μm 和L C = 0.1 μm 器件（L ch = 50 nm）的I D vs V GS曲线。(c)固定过驱动V ov
