集成電路是當今信息技術產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的基礎和源動力，已經(jīng)高度滲透與融合到國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的每個領域。二極管獨特的整流特性使之成為集成電路中不可或缺的元器件之一。然而，隨著微納器件的發(fā)展，傳統(tǒng)半導體材料制成的p-n結二極管無法滿足集成電路在低功耗、大電流、超高速等方面的要求。

金屬-半導體接觸（肖特基二極管）具有極短的反向恢復時間、較低的正向電壓降以及高頻響應等特性，有望滿足上述更高的技術需求。早期的肖特基二極管主要由金屬陽極，如Mo、Cr、W和Pt等與n型硅陰極接觸形成。然而，當硅基材料逐漸減小至微電子器件的尺寸極限時，傳統(tǒng)集成電路的設計與制造將面臨諸多無法克服的瓶頸，摩爾定律也無法延續(xù)下去。

利用有機半導體分子與金屬接觸形成的肖特基二極管是解決這一難題的一種可行方案，而選擇合適的有機分子對增大肖特基二極管正向輸出電流以及減小反向漏電流尤為重要。影響該器件性能的一個最重要參數(shù)是肖特基勢壘。較小的肖特基勢壘會獲得較大的輸出電流，從而提高其輸出功率，但由于反向漏電流的增加使得器件的熱損耗也同時增加。反之，較大的肖特基勢壘會同時減小反向漏電流和正向工作電流，雖然降低了器件的熱損耗，但是其輸出功率的降低大大限制了器件的工作效率。

由此可見，設計出一種能夠同時增加正向輸出電流并減小反向漏電流的肖特基二極管具有十分重要的意義。

近期，南京理工大學材料學院納米異構材料中心劉偉課題組在新一代納米電子器件界面接觸領域取得了突破性進展。

2019年1月4日，美國化學會刊Journal of the American Chemical Society刊登了該團隊在有機分子與金屬異質結界面方面的重要成果，論文題目為：Switchable Schottky Contacts: Simultaneously Enhanced Output Current and Reduced Leakage Current。該論文第一作者為博士生蘇桂榮，任吉昌講師和劉偉教授為該論文通訊作者

本工作中作者通過吸附有機分子，在金屬表面上同時獲得穩(wěn)定的物理吸附和化學吸附狀態(tài)（即雙穩(wěn)態(tài)），而不同的吸附狀態(tài)會導致界面處迥異的肖特基勢壘。

因此，通過分子在雙穩(wěn)態(tài)之間的轉換可以達到調控界面肖特基勢壘的目的。在此基礎上，作者采用分子開關的理念，設計出了一系列具有穩(wěn)定化學吸附態(tài)和物理吸附態(tài)的金屬?有機界面，從而實現(xiàn)了同時提高正向輸出電流、減小反向漏電流的肖特基整流器件。這一研究突破了傳統(tǒng)金屬半導體接觸中單一肖特基勢壘的缺陷，通過偏壓調控肖特基勢壘高度，為分子整流器件的進一步發(fā)展提供了全新的思路。

圖1. 物理和化學吸附體系的肖特基勢壘以及調控機理

2019年1月28日，JACS再度報道了劉偉課題組在二維半導體與金屬異質結界面方面的最新進展，論文題目為：van der Waals Stacking Induced Transition from Schottky to Ohmic Contacts: 2D Metals on Multilayer InSe。

該論文第一作者為博士生沈濤，李爽副教授和劉偉教授為論文共同通訊作者，論文全部作者皆為劉偉課題組成員。

圖2. InSe層數(shù)變化實現(xiàn)肖特基接觸到歐姆接觸的轉變

隨著納米加工技術與納米材料制備技術的飛速發(fā)展，集成電路器件尺寸縮小到納米尺度極限時，傳統(tǒng)硅器件性能上的延續(xù)將面臨巨大的挑戰(zhàn)。以新材料、新結構和新原理為主要特征的器件設計成為納米材料與納米電子科學的前沿問題。

二維層狀材料目前最有望解決硅基材料在芯片發(fā)展過程中所遇到的尺度瓶頸問題，其可以將載流子限制在界面1納米的空間內，其本身的單晶屬性確保了器件性能的均一和可靠。特別是近期，二維InSe通過機械剝離法被成功制備，其電子遷移率高達103?cm² V^-1s^-1。并且與黑磷相比，InSe能夠在空氣中穩(wěn)定存在。在電子器件中，InSe的實際使用需要與金屬電極接觸以實現(xiàn)載流子的注入。然而，金屬與InSe接觸常常會形成肖特基勢壘，從而減小載流子注入效率，增大接觸阻抗，降低器件性能。因此，控制接觸界面的勢壘高度，設計低阻抗的歐姆接觸界面是高性能器件制備的關鍵之一。

作者利用二維金屬-二維半導體異質結有效的克服了釘扎效應且接近Schottky-Mott極限，實現(xiàn)了肖特基勢壘的有效調整。更重要的是，InSe層數(shù)的增加引起肖特基到歐姆接觸的轉變。

這一材料設計理念有效地解決了電子器件中接觸電阻的問題。與此同時，由于接觸界面產(chǎn)生的載流子的耗盡層在原子尺度，這將使得器件的響應頻率大大增加。

該工作為低維納米器件普遍存在的接觸問題提供了有效的解決方案。該工作為二維金屬材料的設計提供了理論支持。

Shen T, Ren J C, Liu X, et al. Van der Waals Stacking Induced Transition from Schottky to Ohmic Contacts: 2D Metals on Multilayer InSe[J]. Journal of the American Chemical Society, 2019.

Su G, Yang S, Li S, et al. Switchable Schottky contacts: Simultaneously enhanced output current and reduced leakage current[J]. Journal of the American Chemical Society, 2019.