氧掺杂降阻94%：华科与新加坡国立大学破解二维晶体管接触难题

手机玩久了发热，电脑跑大软件会卡，芯片内部的电阻是背后原因之一。

研发下一代超薄芯片时，有一件事特别让人头疼：二维半导体材料本身再完美，一碰上金属电极，交界处照样会冒出很大的电阻。

华中科技大学和新加坡国立大学的科学家联合出手，要疏通这个微观世界的堵点。他们首创了一种可控的氧掺杂新方法，既能修复材料内部的微小空洞，也把接触电阻大幅压了下来。

论文发表在《Nature Communications》上，为未来 1 纳米以下的芯片清掉了一个障碍。

寻找后硅时代的救星，为什么选中二硒化钨？

过去几十年，手机和电脑的芯片全都建在硅材料上，人们不断把晶体管做小，性能也随之越来越强。

可硅材料的物理极限已经逼近，再缩小下去，漏电和发热会严重到让芯片罢工。为了延续计算能力的增长曲线，人们把目光投向二维半导体材料，它的厚度只有一层原子，薄得不可思议，很有希望接替硅成为下一代芯片的核心。

二维半导体大家族里，二硒化钨是颇有潜力的一种。芯片要正常工作，得靠两类晶体管配合：一类搬电子，一类搬空穴。搬电子的材料研究进展还算不错，搬空穴的 p 型晶体管却一直拖后腿。

二硒化钨有让空穴高速移动的潜力，制造过程却不完美。材料内部很容易产生硒空位，好比平整马路中间冒出坑洞，空穴前行就受阻。

更麻烦的是，二硒化钨和金属电极接触时，界面处会出现一种特殊的物理现象，接触电阻居高不下。电流走到这里，就像遇上严重拥堵的收费站，速度大打折扣。

其实为了让 p 型晶体管跑快一点，人们试过不少办法，比如用特殊金属去接触材料，或者在材料生长时掺入其他杂质。这些方法有些进展，但离理想性能还差得远。

尤其在极短沟道的器件里，接触电阻甚至大过材料本身的电阻，成了卡住整个二维芯片发展的瓶颈之一。二维芯片要真正发挥潜力，就得彻底解决接触面问题，让电流毫无阻碍地从金属流进半导体，再从半导体流回金属。

拿氧气当解药，在微观世界做精准修补

面对上述难题，此次来自

他们先做理论计算，发现氧原子恰好能与材料内部的硒空位结合，形成非常稳定的化学键。这种结合在能量上是最优选择，相当于给修补微观坑洞找到了一种完美填料。氧原子不光填补空缺，还改变了材料表面的电子结构，让原本容易产生阻碍的界面变得更加平滑。

研究团队在真实实验中验证了这个想法，对比了两种不同的工艺顺序。第一种是长好材料后先通氧气，再制作金属电极。第二种是先制作金属电极，接着通入氧气做退火处理。

实验结果显示，第二种做法效果奇佳。氧气能顺着金属的微小缝隙渗透进去，既修补材料内部的空洞，也把金属与半导体的接触面变成近乎完美的欧姆接触。

这种后掺杂工艺利用了金属电极的覆盖，让氧气在最需要的地方发挥作用，避开了先掺杂、后做电极时可能出现的损伤。

修补完成后，材料的空穴迁移率从 55 cm²V⁻¹s⁻¹ 提升至 218.3 cm²V⁻¹s⁻¹，接触电阻从 1,869 欧姆微米骤降到 104 欧姆微米，降幅约为 94%。微观世界的阻碍被成功拆除，空穴终于能在材料里顺畅奔跑。

迁移率大幅提高，意味着空穴在材料里移动时受到的散射变少，穿梭得更自由。接触电阻骤降，则直接解决了电流进入和离开材料时的拥堵。

这两个关键指标优化之后，二硒化钨晶体管性能迈上新台阶，也为后续制备更短沟道的器件打下坚实基础。

弹道比率跑到 81%，逼近物理极限

障碍拆除后，研究团队开始挑战更极限的尺寸，把晶体管沟道长度缩短到 16 纳米。在这么短的距离内，电子和空穴移动时几乎不会发生碰撞。

就像子弹一样直接飞过去，物理学上把这叫做弹道输运。衡量晶体管优秀程度，弹道输运比率是一个核心指标：比率越高，载流子运动中的能量损失越少，器件性能也越接近理论极限。

这项研究里，16 纳米长的二硒化钨晶体管饱和电流跑到 1,635 微安每微米，室温下弹道输运比率达到 81%。这个成绩压过了此前报道的二维 p 型晶体管，各项指标甚至优于目前最先进的硅基器件。

换句话说，二维材料不只是能顶替硅，性能上还有超越的余地。为拿到这个结果，团队用了全接触结构，把顶部接触和边缘接触的长处捏到一起，电阻因此进一步往下走。金属与材料的接触面积更大、贴得更紧，界面处的能量损耗也就有效压低了。

数据摆在这里，二硒化钨在高性能电子器件上前景可观。过去人们总担心二维材料的接触难题解不开，这次的结果把这层顾虑打消了。

器件尺寸缩到纳米级别，哪怕一丁点电阻都会放大成整体性能上的大麻烦。团队不光把电阻降下来，还在极短的沟道里维持了很高的载流子注入速度，这对做出高性能二维集成电路意义不小。极限尺寸下性能依然过硬，二维半导体的前景因此多了几分希望。

从实验室走到产线，还有多远？

实验室成绩亮眼，可真要进工厂，路还长。研究团队在论文里提到，目前这组出色性能是在二氧化硅衬底上做出来的。若要落到实际生产，还得配出合适的高介电常数绝缘层，既要把等效氧化物厚度压下去，又要保住优异的掺杂效果。

这需要材料学家和工程师继续合力，找出最优的工艺方案。另一个待解的问题是二维材料的规模化生长。实验室里可以精挑细选出完美的单层材料，到了工厂流水线上，想让大面积生长的材料质量均匀一致，设备和工艺都得接着磨。

材料生长、器件制备，再到最后的封装测试，每个环节都得严格把关。眼下越来越多科研团队和企业投入二维半导体研发，这些工程难题正被一项项啃下来。

参考资料：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-78157-w

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成