引言
低维半导体因其原子级厚度、高载流子迁移率以及近乎理想的栅极静电控制能力，被认为是下一代晶体管极具前景的沟道材料[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]]。然而，随着器件节点不断缩小，在纳米尺度上实现这些材料与金属电极之间可靠的电接触仍然是关键挑战，接触电阻已成为限制器件性能的关键瓶颈[[13], [14], [15], [16]]。
近年来，二维（2D）半导体的掺杂技术取得了显著进展。通过表面电荷转移、局部相变或范德华（vdW）接触工程，研究人员成功降低了过渡金属二硫化物（TMDC）晶体管的接触电阻，部分结果甚至超越了当前商用硅晶体管的标准[[17], [18], [19], [20], [21], [22]]。然而，这些方法通常依赖于2D材料的平面结构及其可及的顶面和底面。对于典型的低维半导体如单壁碳纳米管（SWCNT），其1D轴向通道的高曲率几何形状以及远小于2D材料的接触面积，使得直接移植为2D材料开发的界面工程策略变得困难（图1(a)）。
SWCNT的传统掺杂方法主要包括晶格离子注入、化学气相吸附掺杂和电化学掺杂[[23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30]]。离子注入可以将掺杂原子引入SWCNT中，但高能过程会对纳米管晶格造成损伤，且无法在原子尺度上精确控制掺杂深度和分布。化学气相吸附掺杂依赖于吸附在SWCNT表面的气体分子的电荷转移，虽然该方法在技术上较为简单，但掺杂剂仅为弱物理吸附，稳定性较差。电化学掺杂通过在液体电解质中施加栅极电压实现可逆掺杂，但与固态器件制造工艺不兼容，因此难以在实际集成电路中实施。因此，在单个SWCNT水平上实现非破坏性、稳定且局部可控的接触掺杂仍然是该领域的核心挑战（图1(b)）。
本文报道了一种基于热驱动的SWCNT内部封装碘脱掺杂策略，以在接触区域形成类金属缓冲层（图1(c)）。该缓冲层的作用类似于硅基晶体管中的金属硅化物，可降低接触电阻并提高载流子注入效率[31]。该方法利用SWCNT的中空内部作为天然的限域反应器，通过低温气相封装实现碘的内部填充，随后经热退火在纳米管内部形成有序的碘晶体结构[[32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41]]。碘与SWCNT之间的强电荷转移使接触区域的纳米管转变为类金属状态，同时保持无悬键界面，从而避免了晶格退化和费米能级钉扎[[42], [43], [44], [45]]。光谱表征结合第一性原理计算揭示，碘与半导体性SWCNT（s-SWCNT）之间存在显著的电荷转移。电学测量表明，碘掺杂SWCNT薄膜的导电性显著增强，开态电流提高25倍，且几乎无栅极调制，证实了s-SWCNT的类金属转变。
进一步研究表明，焦耳加热可驱动纳米管内部碘原子的定向迁移。通过精确控制电脉冲，我们实现了选定区域内碘的热致迁移和脱掺杂，在单个SWCNT内部原位形成本征沟道。与传统工艺制备的器件相比，接触电阻降至五分之一。本研究展示了一种面向器件级性能提升的SWCNT接触工程策略。
Yu Teng|Yanqing Guo|Xin Li|Liuqi Dong|Min Chen|Lin Geng|Jian Yao|Haoyan Liang|Tingting Meng|Xu-Dong Chen|Kecheng Cao|Lixing Kang
