新发现助力突破集成电路接触电阻瓶颈 | 科技前线

在芯片的世界里，晶体管越小，单位面积内集成晶体管数量越多，器件性能越强。然而，随着晶体管尺寸不断逼近物理极限，金属与半导体之间的接触电阻，正成为制约芯片性能进一步提升的“卡点”。

近日，中国科学院半导体研究所骆军委团队的一项研究，从原子层面揭示了这一问题的关键机制，为降低接触电阻、推动下一代半导体技术发展提供了重要理论支撑。

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费米能级钉扎：影响接触电阻的关键

如果把晶体管比作一个控制电流的开关，那么金属电极与半导体之间的接触界面，就是这个开关的触点。理想情况下，人们希望电子能毫无阻碍地从金属流入半导体，实现高效导通。

然而，在实际器件中，金属与半导体界面处的电子往往会遇到一个难以逾越的能量势垒，而且这一能量势垒的高度几乎不随金属改变，这个现象被称作费米能级钉扎。

这意味着即便半导体材料锗本身拥有更高的载流子迁移率，也难以替代硅成为新一代高性能晶体管的主要材料。

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表面悬挂键：被忽视的关键角色

长期以来，人们普遍认为费米能级钉扎现象主要由半导体的内禀属性决定，如材料的带隙和介电常数。科研团队打破常规，从第一性原理计算出发，重新审视界面原子结构本身的作用，发现半导体表面的悬挂键在硅和锗的费米能级钉扎问题上扮演了关键角色。

什么是悬挂键？当半导体晶格被切断时，表面的原子会留下未配对的电子，这就是悬挂键。这些悬挂键会在半导体的带隙中产生大量表面态，在界面上积累电荷产生极化场，进而阻止费米能级的移动。

有趣的是，硅和锗虽然结构相似，但在与金属接触时，表面的原子排列方式并不相同。硅倾向于发生再构形成“二聚体重构” 结构——表面原子两两配对，互相“握手”，从而削弱了悬挂键的影响；而锗则倾向于保持“非再构” 的原始结构，表面的悬挂键保持自由状态，因此成为强钉扎的主力军。

▲硅和锗的表面悬挂键产生过程以及硅和锗自钝化的差异

进一步研究发现，半导体材料发生再构时降低的能量与材料的键长平方成反比。锗的键长比硅大4.3%，导致其通过再构释放的能量非常小。而当金属薄膜沉积后，锗的再构更容易受扰动变得不稳定，回到悬挂键未“握手”状态，从而使得悬挂键对钉扎的影响重新变得突出。

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“去钉扎”：迈向理想接触

团队发现，费米能级钉扎的强弱不仅取决于材料本身，还与界面的原子结构密切相关。也就是说，通过调控界面结构，我们有可能实现“去钉扎”。这一发现颠覆了传统认知。

为证实这一假设，团队又模拟了另一种极端情况：用氢原子逐个占据表面上所有悬挂键位点，结果显示：钉扎因子从接近0提升至约0.5的弱钉扎水平。

这意味着，费米能级重新获得了较大的活动空间。此时，通过选择合适的金属，就有可能实现接近零势垒、近乎理想的欧姆接触，从而极大降低接触电阻。

▲通过使用氢原子完美钝化硅和锗界面悬键，消除所有悬键诱导表面态，从而大幅削弱费米能级钉扎效应

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为未来芯片铺路

该研究不仅揭示了硅和锗在与金属接触行为上的微观差异，更提出了一条清晰的界面工程设计路径：通过调控界面原子成键构型，减少悬挂键诱导的能隙态，从而缓解费米能级钉扎。

研究成果为发展高性能、低功耗的硅基芯片，以及推动新型半导体在未来晶体管中的应用提供了重要理论指导。未来，团队有望通过原子尺度的微观调控实现更低电阻的接触，为摩尔定律的延续注入持续动力。

来源：中国科学院半导体研究所

责任编辑：宋同舟