武汉大学张召富教授团队近日在Nano Letters上发表了题为Achieving Fermi-Level Depinning and Ideal Metal Contact in β-Ga₂O₃ Devices via MXene Integration (通过MXene集成在β-Ga₂O₃器件中实现费米能级解钉扎与理想金属接触)的文章。武汉大学博士生冯嘉仁为论文第一作者，武汉大学集成电路学院刘胜院士团队的张召富教授为论文通讯作者。
金属-半导体接触质量是影响半导体器件性能的关键。由于半导体表面态和金属诱导带隙态的存在，费米能级通常被钉扎在半导体带隙内的某一特定能量位置，此即费米钉扎效应，这从根本上限制了器件的设计灵活性。β-Ga₂O₃因其宽带隙、高临界击穿场强等优异物性，在下一代高功率电子器件领域展现出巨大潜力。然而，其发展受到金属接触处严重费米钉扎效应的关键制约，其费米钉扎因子S≈0.17，表明存在严重的费米钉扎，这对其肖特基势垒的电学调控构成了重大挑战，亟需新的策略来削弱费米钉扎。此前研究表明，二维金属与二维半导体之间的范德华间隙能够阻碍电子波从金属侧向半导体侧的传播。受此启发，该团队提出通过二维金属与β-Ga₂O₃集成，以降低金属-半导体界面处电子波函数的重叠积分，从而实现费米能级解钉扎。然而，此类二维金属与三维半导体之间潜在的物理机制，仍缺乏系统的理论阐释。此外，还存在一个更具实际意义的问题：能否在同一材料体系中，通过不同的界面设计策略，分别实现可调的肖特基接触和超低电阻的欧姆接触？
本工作系统研究了β-Ga₂O₃与不同表面终端基团（T=O、OH、F等）的Ti₃C₂Tₓ MXene之间的范德华界面。首先，建立了功函数覆盖1.50至6.52 eV范围的Ti₃C₂Tₓ金属库，发现不同终端主要通过改变MXene的表面偶极矩来影响其功函数。随后，通过构建并分析一系列MXene/β-Ga₂O₃界面模型，系统考察了范德华间隙、电荷转移、间隙态、界面偶极与势垒高度之间的关系，发现界面范德华势垒有效阻挡了金属诱导带隙态，从而实现了费米能级解钉扎，其中肖特基势垒高度可在0.15至3.12 eV范围内连续调控，并且钉扎因子高达S≈0.60，显著高于三维元素金属与氧化镓之间的钉扎因子S≈0.17。同时，发现界面偶极对肖特基势垒也产生较大影响，导致即使不存在金属诱导间隙态和半导体表面态，费米钉扎因子也无法达到理想的S=1。在此基础上，该团队提出了两种不同的界面设计策略：基于范德华相互作用的肖特基接触，以及基于共价键合的欧姆接触，从而在同一体系中同时实现了宽范围可调的肖特基势垒和理想的欧姆接触。
本工作对Ti₃C₂Tₓ MXene/β-Ga₂O₃异质结构（T=O、OH、F等）的界面电子结构和接触性质进行了系统研究，为宽带隙半导体中严重的费米钉扎问题提出了一种新的解决思路。首先阐明了MXene功函数（1.50–6.52 eV）连续可调的物理起源，即终端原子通过改变表面偶极对其功函数进行精确调控。之后，在所构建的β-Ga₂O₃/Ti₃C₂Tₓ范德华异质结构中，发现界面范德华势垒有效抑制了金属诱导带隙态，结合β-Ga₂O₃表面的自钝化特性，将钉扎因子显著提升至S≈0.60，远优于三维元素金属接触的S≈0.17。在该单一材料体系中，肖特基势垒高度可在0.15–3.12 eV范围内连续调控，且隧穿概率保持在5%以下，满足高性能肖特基接触的要求。此外，研究发现，由于界面偶极的存在，即使在没有任何界面态的情况下，费米能级钉扎因子也无法达到理想的S=1。进一步地，通过将界面相互作用从范德华作用转变为Ti–O共价键，可实现100%的隧穿概率和0.06 eV的超低势垒，形成了理想的欧姆接触。这种共价键合模式将费米能级钉扎在β-Ga₂O₃的导带底附近，从而产生理想的欧姆接触特性，且该特性对MXene顶层终端基团及其内部极性不敏感。本研究展示了在同一二维金属/三维半导体体系内按需设计可调肖特基接触和高效欧姆接触的能力，为解决费米钉扎这一难题提供了新思路，并为推动高性能半导体器件的发展奠定了理论基础。
图1. 不同终端基团的Ti₃C₂Tₓ金属（T=O, F, S, Cl, Br, I, OH, NH, NHOH, OF, OS和BrI）的(a)原子弛豫结构、(b)静电势和(c)计算得到的功函数。(d) 表面偶极与功函数关系的示意图，以及代表性Ti₃C2F₂、Ti₃C₂O₂和Ti₃C₂OF的Bader电荷分析。(e) 总表面偶极强度与Ti₃C₂Tₓ功函数之间的关系。
图2. Ti₃C₂O₂(001)/β-Ga₂O₃(100)界面的(a)原子弛豫结构、(b)静电势、(c)电荷差分密度和(d)分层态密度。(e) Ti₃C₂Tₓ/β-Ga₂O₃范德华接触示意图。范德华间隙阻挡了金属一侧的波函数，因此半导体表面几乎没有金属诱导间隙态，有助于实现费米能级的解钉扎。
图3. 不同Ti₃C₂Tₓ和元素金属在β-Ga₂O₃上计算得到的n型肖特基势垒高度与其功函数的关系。Ti₃C₂Tₓ金属的费米钉扎因子S显著增大，表明成功实现费米能级解钉扎。
图4. 含氧空位的Ti₃C₂O₂(001)/β-Ga₂O₃(100)界面的(a)原子弛豫结构和(b)静电势。(c) 有无氧空位界面的电子隧穿概率对比。(d) 含氧空位的Ti₃C₂O₂(001)/β-Ga₂O₃(100)界面的分层态密度。(e) 含氧空位的Ti₃C₂Tₓ/β-Ga₂O₃界面的金属接触示意图。(f) 含界面氧空位时，不同Ti₃C₂Tₓ金属在β-Ga₂O₃上计算得到的n型SBH。虽然范德华间隙阻挡了金属诱导间隙态，仍能实现部分费米能级解钉扎，但氧空位导致的半导体表面态仍会钉扎费米能级，使费米钉扎因子S下降。
图5. (a) 基于功函数的β-Ga₂O₃与MXene金属的能带对齐示意图。(b) 接触前后Ti₃C₂Tₓ/β-Ga₂O₃界面能带示意图。(c) Ti₃C₂O₂/β-Ga₂O₃和(d)Ti₃C₂(OH)₂/β-Ga₂O₃界面的静电势，引入了两个表面真空能级之间的能量差ΔV。(e) 界面ΔV随功函数差ΔWF的变化关系。(f) 界面偶极矩随ΔV的变化关系。(g) 界面ΔΦₙ随偶极矩的变化关系。ΔΦₙ定义为Ti₃C₂Tₓ/β-Ga₂O₃界面接触后与接触前的n-SBH之差（n-SBH减去n-SBH’）。ΔΦₙ与偶极矩之间近乎线性的关系表明，偶极对界面势垒存在很强的调控作用，导致即使不存在金属诱导间隙态和半导体表面态，费米钉扎因子也无法达到理想的S=1。
图6. (a) Ti₃C₂Tₓ/β-Ga₂O₃界面较大的隧穿势垒示意图。(b) Ti₃C₂O₂(001)/β-Ga₂O₃(100)界面的静电势。(c) Ti₃C₂Tₓ/β-Ga₂O₃金属-半导体接触的隧穿势垒高度(ΦTB)与宽度(WTB)的关系。(d) 计算得到的Ti₃C₂Tₓ/β-Ga₂O₃金属-半导体接触的电子隧穿概率。所有界面的隧穿势垒都很小，满足高质量肖特基接触的要求，但不利于理想的欧姆接触。
图7. Ti₃C₂/β-Ga₂O₃共价界面的(a)原子弛豫结构，(b)静电势和(c)分层态密度。将界面键合方式由范德华作用转变为共价键后，隧穿势垒上升至100%，适用于理想欧姆接触。(d) 表面钝化界面的原子结构示意图。(e) 计算得到的不同钝化界面的n型肖特基势垒高度。表面钝化能进一步影响界面势垒，其中Ti₃C₂OH/β-Ga₂O₃界面拥有最小的n-SBH(0.06 eV)。(e) Ti₃C₂OH的静电势。(g) Ti₃C₂T金属的偶极与相应界面的偶极的关系。(h) Ti₃C₂T/β-Ga₂O₃金属接触的示意图。虽然通过表面钝化能够改变金属一侧的偶极，进而影响界面的偶极以及肖特基势垒，但界面处的金属诱导间隙态和半导体表面态仍钉扎了费米能级，导致肖特基势垒变化较小。
DOI:
10.1021/acs.nanolett.6c01931
