【复材前沿】香港理工大学新突破：硒界面能带杂化策略攻克p型半导体低阻接触难题，登Nature Nanotechnology

研究背景

在现代纳米电子器件领域，金属电极与半导体沟道间的电接触性能，是决定晶体管整体性能的核心要素。理想状态下，选择功函数与半导体能带边缘匹配的金属，可最小化界面肖特基势垒高度，实现欧姆接触。但当高载流子浓度金属与半导体接触时，电子波函数重叠会在半导体带隙内形成金属诱导带隙态，引发费米能级钉扎效应，导致肖特基势垒高度几乎与金属功函数无关，严重阻碍低电阻接触的实现。对于n型二维半导体，铋、锑等低载流子浓度、低功函数的半金属电极，已被证实能有效抑制金属诱导间隙态（MIGS），实现超低接触电阻。然而，为p型二维半导体寻找类似高性能接触方案，仍是巨大挑战——需同时满足高功函数和低MIGS这两个看似矛盾的要求。传统高功函数金属如铂、钯，虽功函数较高，但其高载流子密度会引入显著MIGS，限制接触性能进一步提升。因此，开发能同时提供高有效功函数并抑制MIGS的新型接触策略，对推动p型纳米尺度器件发展至关重要。

本文亮点

本研究提出并验证了创新的“能带杂化硒接触”策略，成功攻克p型半导体低电阻接触难题，核心亮点有三：

1、创造性利用硒元素本征超高功函数优势，在金电极与半导体间引入超薄硒界面层，显著提升接触界面有效功函数，大幅降低空穴注入的肖特基势垒。

2、发现硒层与金电极间存在独特能带杂化作用，使接触界面从半导体特性转变为半金属特性；这种半金属态在费米能级附近的低态密度，有效抑制了有害金属诱导带隙态的产生。

3、该策略普适性与性能卓越，应用于p型WSe₂晶体管，获得低至540 Ω·μm的接触电阻和高达430 μA/μm的饱和电流密度；并成功拓展至黑磷、碳纳米管等多种p型半导体，均实现性能显著提升，为高性能p型纳米电子器件集成提供可靠且可扩展的解决方案。

图文解析

图1. 能带杂化硒接触与高有效功函数特性

要点：

图1系统阐述了能带杂化硒接触的设计原理与核心优势。图中以元素周期表为背景，突出硒具备所有元素中最高的本征功函数（5.9 eV），为降低p型半导体空穴注入势垒提供理想材料基础；引入硒界面层，旨在最大化接触有效功函数，使其更接近半导体价带顶。紫外光电子能谱测量数据对比显示，金/硒接触的有效功函数高达4.50 eV，显著优于铂、金、钯等传统高功函数金属，确凿证明硒界面层在提升界面能带对齐方面的卓越效能，为低势垒欧姆接触奠定物理基础。

为揭示性能提升内在机理，图中通过态密度示意图对比传统金属接触与能带杂化硒接触的本质差异：传统金属高态密度会在半导体带隙内引入大量金属诱导带隙态，导致费米能级钉扎；而金/硒接触因能带杂化形成半金属特性，费米能级附近态密度极低，有效抑制金属诱导带隙态形成。X射线光电子能谱数据显示，硒与金接触后其3d峰向低结合能方向移动，证实金向硒的电荷转移及硒价带的上移，这是能带杂化发生的关键证据。基于密度泛函理论计算的投影态密度随硒层厚度变化结果进一步表明，约1纳米厚的硒层可实现完全能带杂化与半金属特性，过厚则恢复本征半导体性质，为优化界面层厚度以获最佳接触性能提供精确理论指导。

图2. 三层WSe₂场效应晶体管采用能带杂化硒接触的电学特性

要点：

图2全面展示了采用能带杂化硒接触的p型WSe₂场效应晶体管的卓越电学性能。图中首先呈现沟道长度1微米器件的转移特性与输出特性曲线：转移曲线显示高达10^8的开关比及可忽略的滞回，表明器件栅控能力优异、界面质量良好；输出曲线在低偏压下的线性特征，直接证实高质量欧姆接触成功形成，空穴注入效率极高。随着沟道长度按比例缩小至80纳米，器件性能优势更凸显——在1 V漏源电压下实现430 μA/μm的饱和开态电流密度，这一高电流密度在短沟道器件中的保持，对现代电子学小型化与高性能化至关重要，证明该接触策略在器件微缩过程中的鲁棒性。通过转移长度法提取的接触电阻低至540 Ω·μm，这是本工作核心性能指标之一，远低于此前采用铂或钯接触的器件，标志p型半导体接触技术的重大突破，极低接触电阻确保驱动电流不会在电极界面处严重损耗。器件长期稳定性与热稳定性测试结果进一步支撑其应用潜力：在空气中储存一个月或200摄氏度惰性气体中退火后，器件转移特性几乎无退化；同时X射线光电子能谱确认退火后硒信号仍清晰存在，表明硒/金接触结构具有出色化学与环境稳定性，能满足后端工艺与实际应用对可靠性的严苛要求。

图3. 三层Au/Se-WSe₂场效应晶体管能带杂化硒接触的可变性分析

要点：

图3通过详尽统计学分析，评估能带杂化硒接触策略在不同沟道长度器件中的性能一致性与可扩展性。研究系统性制备并测量了沟道长度为1微米、0.6微米、150纳米、80纳米的WSe₂晶体管阵列，每个尺寸对应的转移特性曲线簇显示出极小的器件间差异与可忽略的滞回，表明基于硒接触的制备工艺具有高度可控性与可重复性，是迈向大规模集成的先决条件。对开关比、开态电流、亚阈值摆动等关键性能参数的统计分析以直方图形式呈现：数据显示，当沟道长度从1微米缩减至150纳米时，开态电流显著增加，而开关比和亚阈值摆动基本保持稳定，体现接触电阻降低与沟道缩放对驱动电流的正向贡献，同时器件开关特性未受损害。但沟道长度进一步缩小到80纳米时，开关比和亚阈值摆动出现轻微退化，这可能是短沟道效应开始显现，但开态电流仍达峰值——这种权衡关系是纳米尺度器件的普遍特性，并不影响硒接触本身的高效性。累积分布函数图进一步量化了这些参数的分布集中度。所有结果共同表明，能带杂化硒接触策略在不同尺寸器件上均能提供一致且优异的性能，其器件间低变异性凸显该技术对于未来大规模、高密度集成电路制造的适用性与可靠性。

图4. 能带杂化硒接触实现WSe₂低阻接触的机理

要点：

图4从微观结构与理论计算层面，深入揭示能带杂化硒接触实现低电阻的物理机制。横截面像差校正扫描透射电子显微镜图像直观展示了金/硒/WSe₂界面的原子级结构：一层连续、均匀的超薄硒层夹在金电极与WSe₂半导体之间，且WSe₂晶格结构保持完整，证实温和沉积工艺能形成清晰、无损的异质结界面，为高效电荷传输提供理想通道。对应的能量色散X射线光谱元素分布图清晰显示硒元素在金与钨之间的连续均匀分布，这种连续性对确保整个接触界面电学性质均匀一致至关重要，避免因界面不均导致局部高电阻或电流拥挤问题。

基于密度泛函理论的计算从电子结构角度提供关键见解：金/硒接触与WSe₂的投影态密度图显示，费米能级位于价带顶之下，表明形成p型欧姆接触且肖特基势垒可忽略；同时计算定量比较了金接触和金/硒接触下金属诱导带隙态的变化，证明硒接触能大幅抑制带隙态形成。此外，通过对界面处静电势分布的分析，提取了硒层与WSe₂之间的隧穿势垒宽度和高度，计算得出的特定隧穿电阻率低至1.74×10^-9 Ω·cm²，与最先进的n型半金属接触性能相当，意味着空穴可几乎无阻碍地隧穿过该超薄界面，接触电阻主要由半导体体电阻决定，从理论上完美解释实验中观测到的超低接触电阻现象。

图5. 能带杂化硒接触在p型场效应晶体管中的性能基准

要点：

图5通过将能带杂化硒接触策略应用于多种p型半导体并进行性能基准测试，充分证明其普适性与卓越性。研究首先在黑磷场效应晶体管上验证该接触的有效性：对比金电极接触，采用金/硒接触后器件饱和开态电流密度从8.6 μA/μm显著提升至42.7 μA/μm，近五倍的性能提升强有力说明硒接触对改善另一种重要p型二维半导体同样高效，拓展了该技术的应用范围。同样，在碳纳米管薄膜晶体管中也观察到明显性能改善：金/硒接触器件的开态电流密度高于金接触器件，且扫描电子显微镜图像显示碳纳米管薄膜分布均匀，未因硒层引入而团聚，表明该接触工艺与溶液法加工的纳米材料具有良好兼容性，为柔性或大面积电子学提供新的接触方案。

作为对比实验，将硒接触应用于n型MoS₂晶体管时性能反而下降——这一“负面”结果恰恰反向验证了该策略的工作原理：硒的高功函数对n型半导体形成了更高的电子注入势垒，凸显其对p型半导体特有的选择性与优化作用。最后，图中将本工作性能指标与迄今报道的其他p型半导体接触技术进行全面基准比较：在接触电阻与载流子密度关系图中，硒接触的WSe₂器件数据点位于趋势线左下方，表明相同载流子密度下实现了更低接触电阻；在开态电流密度随沟道长度变化的图中，本工作的数据点（尤其是80纳米沟道下的430 μA/μm）位居前列，这些对比无可争议地确立了能带杂化硒接触在当前p型半导体接触技术中的领先地位。

总结与展望

本研究成功开发并验证了基于能带杂化硒界面的创新策略，为攻克纳米尺度p型半导体器件低电阻接触难题提供了可扩展且可靠的途径。通过引入具有本征超高功函数的超薄硒层，利用其与金电极发生的独特能带杂化作用，该策略巧妙同时实现两个关键目标：一是显著提升接触界面有效功函数，将空穴注入的肖特基势垒高度降至可忽略水平；二是使接触界面转变为半金属态，凭借费米能级附近低态密度特性，有效抑制导致费米能级钉扎的金属诱导带隙态。将这一策略应用于p型WSe₂晶体管，获得低至540 Ω·μm的接触电阻和高达430 μA/μm的饱和电流密度，器件同时展现出优异的开关比、环境稳定性与热稳定性。

这项工作的意义不仅在于实现个别器件性能的突破，更在于其展现出的普适性与工艺兼容性。该策略成功拓展至黑磷、碳纳米管等多种p型半导体材料，均带来显著性能提升，证明其广泛适用性。理论计算与实验表征相结合，从原子结构、电子态到宏观电学性能，完整阐释了能带杂化硒接触的工作机制，特别是计算得出的低隧穿电阻率与实验结果相互印证，奠定了坚实物理基础。与现有技术的基准对比表明，该接触方案在接触电阻和驱动电流方面均达到领先水平，为未来高性能、低功耗的p型纳米电子电路铺平了道路。

展望未来，这种能带杂化接触策略有望集成到主流半导体制造工艺中。其采用的热蒸发沉积方法与现有微加工技术高度兼容，为实现晶圆级二维半导体器件的高性能、均匀性接触提供切实可行的方案。下一步研究可探索硒层与钯、镍等其它金属的杂化效应，进一步优化界面性能并可能调节功函数；同时，将该策略与高κ栅介质、负电容等先进技术结合，有望构建出性能逼近理论极限的p型超陡峭晶体管。此外，在三维集成、柔性电子和新型计算架构（如互补型二维电路）中，高性能p型接触都是不可或缺的一环，本工作为解决这一核心瓶颈问题提供了关键工具，将有力推动后摩尔时代纳米电子学的发展。

原标题：《【复材资讯】香港理工大学，Nature Nanotechnology！》

本文仅代表作者观点，版权归原创者所有，如需转载请在文中注明来源及作者名字。

免责声明：本文系转载编辑文章，仅作分享之用。如分享内容、图片侵犯到您的版权或非授权发布，请及时与我们联系进行审核处理或删除，您可以发送材料至邮箱：service@tojoy.com