Integration of the emerging layered materials with the existing CMOS platform is a promising solution to enhance the performance and functionalities of the future CMOS based integrated circuits. In this direction, we have experimentally studied the suitability of the layered semimetals, namely, Td-WTe2, 1T′-MoTe2, 1T-PtTe2, and 1T-PtSe2, as an electrode with two most commonly used semiconductors, i.e., silicon (Si) and germanium (Ge) used in the CMOS technology. Two kinds of devices, i.e., metal–oxide–semiconductor (MOS) capacitors and metal-semiconductor (MS) diodes, are investigated with these semimetals as a conducting electrode. Through detailed electrical and physical characterizations, it is established that these semimetals form excellent interface with the underneath dielectric (SiO2) in the MOS structure and with the semiconductor (Ge) in the MS diode. Near ideal CV curves of MOS devices and large ON-current in the MS diodes signify that these semimetals act perfectly well as a contact electrode. Reduction in the Schottky barrier height of the MS diodes with decreasing values of the semimetal WF suggests the excellent interface of these semimetals with the Ge substrate. Most importantly, these semimetals do not add any unwanted series resistance across the current conduction path in the diode. Guided by these experimental observations, we propose that these semimetals can indeed be integrated with conventional CMOS platform, thus paving a way for an era of CMOS based heterogeneous electronics.

1.
See https://irds.ieee.org/ for ITRS Roadmap,
2022
.
2.
M. C.
Lemme
,
D.
Akinwande
,
C.
Huyghebaert
, and
C.
Stampfer
,
Nat. Commun.
13
,
1392
(
2022
).
3.
A. K.
Geremew
,
S.
Rumyantsev
,
F.
Kargar
,
B.
Debnath
,
A.
Nosek
,
M. A.
Bloodgood
,
M.
Bockrath
,
T. T.
Salguero
,
R. K.
Lake
, and
A. A.
Balandin
,
ACS Nano
13
,
7231
(
2019
).
4.
J.
Cui
,
P.
Li
,
J.
Zhou
,
W. Y.
He
,
X.
Huang
,
J.
Yi
,
J.
Fan
,
Z.
Ji
,
X.
Jing
,
F.
Qu
,
Z. G.
Cheng
,
C.
Yang
,
L.
Lu
,
K.
Suenaga
,
J.
Liu
,
K. T.
Law
,
J.
Lin
,
Z.
Liu
, and
G.
Liu
,
Nat. Commun.
10
,
2044
(
2019
).
5.
M. N.
Ali
,
J.
Xiong
,
S.
Flynn
,
J.
Tao
,
Q. D.
Gibson
,
L. M.
Schoop
,
T.
Liang
,
N.
Haldolaarachchige
,
M.
Hirschberger
,
N. P.
Ong
, and
R. J.
Cava
,
Nature
514
,
205
(
2014
).
6.
H.
Xiang
,
B.
Xu
,
J.
Liu
,
Y.
Xia
,
H.
Lu
,
J.
Yin
, and
Z.
Liu
,
AIP Adv.
6
,
095005
(
2016
).
7.
C. Z.
Li
,
L. X.
Wang
,
H.
Liu
,
J.
Wang
,
Z. M.
Liao
, and
D. P.
Yu
,
Nat. Commun.
6
,
10137
(
2015
).
8.
P.-C.
Shen
,
C.
Su
,
Y.
Lin
,
A.-S.
Chou
,
C.-C.
Cheng
,
J.-H.
Park
,
M.-H.
Chiu
,
A.-Y.
Lu
,
H.-L.
Tang
,
M.
Mahdi Tavakoli
,
G.
Pitner
,
X.
Ji
,
Z.
Cai
,
N.
Mao
,
J.
Wang
,
V.
Tung
,
J.
Li
,
J.
Bokor
,
A.
Zettl
,
C.-I.
Wu
,
T.
Palacios
,
L.-J.
Li
, and
J.
Kong
,
Nature
593
,
211
(
2021
).
9.
X.
Yu
,
P.
Yu
,
D.
Wu
,
B.
Singh
,
Q.
Zeng
,
H.
Lin
,
W.
Zhou
,
J.
Lin
,
K.
Suenaga
,
Z.
Liu
, and
Q. J.
Wang
,
Nat. Commun.
9
,
1545
(
2018
).
10.
D. M.
Soares
and
G.
Singh
,
Nanotechnology
32
,
505402
(
2021
).
11.
J.
Feng
,
X.
Sun
,
C.
Wu
,
L.
Peng
,
C.
Lin
,
S.
Hu
, and
J.
Yang
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
17832
(
2011
).
12.
L. J.
Ma
and
Q.
Sun
,
Nanoscale
12
,
12106
(
2020
).
13.
A.
Dimoulas
,
P.
Tsipas
,
A.
Sotiropoulos
, and
E. K.
Evangelou
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
252110
(
2006
).
14.
T.
Nishimura
,
K.
Kita
, and
A.
Toriumi
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
123123
(
2007
).
15.
T.
Nishimura
,
X.
Luo
,
S.
Matsumoto
,
T.
Yajima
, and
A.
Toriumi
,
AIP Adv.
9
,
095013
(
2019
).
16.
S. H. C.
Baek
,
Y. J.
Seo
,
J. G.
Oh
,
M. G.
Albert Park
,
J. H.
Bong
,
S. J.
Yoon
,
M.
Seo
,
S. Y.
Park
,
B. G.
Park
, and
S. H.
Lee
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
073508
(
2014
).
17.
H.
Jiang
,
B.
Li
,
Y.
Wei
,
S.
Feng
,
Z.
Di
,
Z.
Xue
,
D.
Sun
, and
C.
Liu
,
Nanotechnology
33
,
345204
(
2022
).
18.
S. M.
Song
,
J. K.
Park
,
O. J.
Sul
, and
B. J.
Cho
,
Nano Lett.
12
,
3887
(
2012
).
19.
Y.
Liu
,
P.
Stradins
, and
S. H.
Wei
,
Sci. Adv.
2
,
e1600069
(
2016
).
20.
N.
Yang
,
Y. C.
Lin
,
C. P.
Chuu
,
M. S.
Rahman
,
T.
Wu
,
A. S.
Chou
,
H. Y.
Chen
,
W. Y.
Woon
,
S. S.
Liao
,
S.
Huang
,
X.
Qian
,
J.
Guo
,
I.
Radu
,
H. S. P.
Wong
, and
H.
Wang
,
IEEE Trans. Electron Devices
70
,
2090
(
2023
).
21.
L.
Cao
,
X.
Deng
,
Z.
Tang
,
G.
Zhou
, and
Y. S.
Ang
,
Appl. Phys. Lett.
121
,
234001
(
2022
).
22.
S.
Hao
,
S.
Han
,
J.
Zhang
,
J.
Li
,
N.
Wang
, and
X.
Li
,
ACS Appl. Nano Mater.
6
(
4
),
2285
2291
(
2022
).
23.
Z.
Bian
,
J.
Miao
,
Y.
Zhao
, and
Y.
Chai
,
Accounts Mater. Res.
3
,
1220
(
2022
).
24.
G. J.
Burek
,
Y.
Hwang
,
A. D.
Carter
,
V.
Chobpattana
,
J. J. M.
Law
,
W. J.
Mitchell
,
B.
Thibeault
,
S.
Stemmer
, and
M. J. W.
Rodwell
,
J. Vac. Sci. Technol., B
29
,
040603
(
2011
).
25.
J. H.
Lee
and
J. W.
Lee
,
ACS Energy Lett.
7
,
3780
(
2022
).
26.
M. K.
Lin
,
R. A. B.
Villaos
,
J. A.
Hlevyack
,
P.
Chen
,
R. Y.
Liu
,
C. H.
Hsu
,
J.
Avila
,
S. K.
Mo
,
F. C.
Chuang
, and
T. C.
Chiang
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
036402
(
2020
).
27.
E.
Torun
,
H.
Sahin
,
S.
Cahangirov
,
A.
Rubio
, and
F. M.
Peeters
,
J. Appl. Phys.
119
,
074307
(
2016
).
28.
D.
Lu
,
Z.
Li
,
C.
Xu
,
S.
Luo
,
C.
He
,
J.
Li
,
G.
Guo
,
G.
Hao
,
X.
Qi
, and
J.
Zhong
,
Nano Res.
14
,
1311
(
2021
).
29.
Y. C.
Jiang
,
J.
Gao
, and
L.
Wang
,
Sci. Rep.
6
,
19624
(
2016
).
30.
D.
Rhodes
,
D. A.
Chenet
,
B. E.
Janicek
,
C.
Nyby
,
Y.
Lin
,
W.
Jin
,
D.
Edelberg
,
E.
Mannebach
,
N.
Finney
,
A.
Antony
,
T.
Schiros
,
T.
Klarr
,
A.
Mazzoni
,
M.
Chin
,
Y. C.
Chiu
,
W.
Zheng
,
Q. R.
Zhang
,
F.
Ernst
,
J. I.
Dadap
,
X.
Tong
,
J.
Ma
,
R.
Lou
,
S.
Wang
,
T.
Qian
,
H.
Ding
,
R. M.
Osgood
,
D. W.
Paley
,
A. M.
Lindenberg
,
P. Y.
Huang
,
A. N.
Pasupathy
,
M.
Dubey
,
J.
Hone
, and
L.
Balicas
,
Nano Lett.
17
,
1616
(
2017
).
31.
B.
Huang
,
L.
Du
,
Q.
Yi
,
L.
Yang
,
J.
Li
,
L.
Miao
,
C.
Zhao
, and
S.
Wen
,
Opt. Express
27
,
2604
(
2019
).
32.
J. B.
Mc Manus
,
D. V.
Horvath
,
M. P.
Browne
,
C. P.
Cullen
,
G.
Cunningham
,
T.
Hallam
,
K.
Zhussupbekov
,
D.
Mullarkey
,
C. O.
Coileáin
,
I. V.
Shvets
,
M.
Pumera
,
G. S.
Duesberg
, and
N.
McEvoy
,
Nanotechnology
31
,
375601
(
2020
).
33.
P.
Lu
,
J. S.
Kim
,
J.
Yang
,
H.
Gao
,
J.
Wu
,
D.
Shao
,
B.
Li
,
D.
Zhou
,
J.
Sun
,
D.
Akinwande
,
D.
Xing
, and
J. F.
Lin
,
Phys. Rev. B
94
,
224512
(
2016
).
34.
B.
Adhikari
,
T. B.
Limbu
,
K.
Vinodgopal
, and
F.
Yan
,
Nanotechnology
32
,
335701
(
2021
).
35.
S.
Hao
,
J.
Zeng
,
T.
Xu
,
X.
Cong
,
C.
Wang
,
C.
Wu
,
Y.
Wang
,
X.
Liu
,
T.
Cao
,
G.
Su
,
L.
Jia
,
Z.
Wu
,
Q.
Lin
,
L.
Zhang
,
S.
Yan
,
M.
Guo
,
Z.
Wang
,
P.
Tan
,
L.
Sun
,
Z.
Ni
,
S. J.
Liang
,
X.
Cui
, and
F.
Miao
,
Adv. Funct. Mater.
28
,
1803746
(
2018
).
36.
S.
Lukas
,
O.
Hartwig
,
M.
Prechtl
,
G.
Capraro
,
J.
Bolten
,
A.
Meledin
,
J.
Mayer
,
D.
Neumaier
,
S.
Kataria
,
G. S.
Duesberg
, and
M. C.
Lemme
,
Adv. Funct. Mater.
31
,
2102929
(
2021
).
37.
W.
Mönch
, Semiconductor interfaces, “
Semiconductor Surfaces and Interfaces
,” Springer Series in Surface Sciences (
Springer
,
Berlin, Heidelberg
,
1995
), Vol.
26
.
38.
S.
Gupta
,
P.
Paramahans Manik
,
R.
Kesh Mishra
,
A.
Nainani
,
M. C.
Abraham
, and
S.
Lodha
,
J. Appl. Phys.
113
,
234505
(
2013
).
39.
T.
Ushiki
,
IEEE Trans. Electron Devices
47
,
2201
(
2000
).
40.
J. L.
Hart
,
L.
Bhatt
,
Y.
Zhu
,
M. G.
Han
,
E.
Bianco
,
S.
Li
,
D. J.
Hynek
,
J. A.
Schneeloch
,
Y.
Tao
,
D.
Louca
,
P.
Guo
,
Y.
Zhu
,
F.
Jornada
,
E. J.
Reed
,
L. F.
Kourkoutis
, and
J. J.
Cha
,
Nat. Commun.
14
,
4803
(
2023
).
41.
L.
Lin
,
R.
Jacobs
,
T.
Ma
,
D.
Chen
,
J.
Booske
, and
D.
Morgan
,
Phys. Rev. Appl.
19
,
037001
(
2023
).
42.
B.
Biswal
,
S. B.
Mishra
,
R.
Yadav
,
S.
Poudyal
,
R.
Rajarapu
,
P. K.
Barman
,
K. R.
Pandurang
,
M.
Mandal
,
R. P.
Singh
,
B. R. K.
Nanda
, and
A.
Misra
,
Appl. Phys. Lett.
120
,
093101
(
2022
).
44.
D. K.
Schroder
,
Semiconductor Material and Device Characterization: Third Edition
(
John Wiley & Sons
,
2005
).
45.
C. R.
Crowell
,
Solid. State. Electron.
8
,
395
(
1965
).
46.
S. K.
Cheung
and
N. W.
Cheung
,
Appl. Phys. Lett.
49
,
85
(
1986
).
47.
X.
Luo
,
T.
Nishimura
,
T.
Yajima
, and
A.
Toriumi
,
Appl. Phys. Express
13
,
031003
(
2020
).
48.
D. R.
Gajula
,
P.
Baine
,
M.
Modreanu
,
P. K.
Hurley
,
B. M.
Armstrong
, and
D. W.
McNeill
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
012102
(
2014
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.