01【科學(xué)背景】

自硅基晶體管逼近物理極限，原子級薄的過渡金屬硫族化合物（TMDs）被視作“后摩爾”時代理想的溝道替代材料。它們具備1.2–1.8eV的可調(diào)帶隙、原子級銳利的界面以及優(yōu)異的靜電控制能力，能將柵長壓縮至10nm節(jié)點以下。

然而，當(dāng)工業(yè)嘗試將TMD從實驗室引入晶圓廠時，金屬 - 半導(dǎo)體接觸成了難題。傳統(tǒng)硅工藝依靠金屬硅化物與硅形成強(qiáng)共價鍵，接觸電阻低至20–50Ω·μm，還能承受400°C后端制程（BEOL）而不退化。但TMD表面只有范德華力，無懸掛鍵且被硫族原子“鈍化”，金屬沉積后只能形成弱范德華（vdW）搭接，帶來諸多問題：一是隧穿勢壘厚達(dá)1nm、高度>0.3eV，電子注入效率大幅下降，接觸電阻普遍>500Ω·μm；二是界面粘附能僅0.05eV? - 2，高溫退火時金屬再結(jié)晶、球化，溝道會被拉裂；三是熱 - 電耦合失效，器件在300°C時性能衰減>50%。

過去十年，科研界嘗試了邊緣接觸、半金屬Bi/Sb、相變界面等方案，雖將電阻降至100Ω·μm量級，但在BEOL熱預(yù)算下仍失敗。如何像硅化物那樣在原子尺度固定金屬與TMD，成為二維電子學(xué)能否進(jìn)入5nm以下技術(shù)節(jié)點的關(guān)鍵。

02【創(chuàng)新成果】

近期，北京科技大學(xué)張躍院士、張錚教授和張先坤教授聯(lián)合首創(chuàng)“原子層鍵合（ALB）”工藝。該工藝?yán)贸洑宓入x子體選擇性剝除單層MoS2表面硫原子，暴露的Mo原子層因失配應(yīng)力自發(fā)收縮6%，與Au(111)晶格失配從8%驟降至<0.3%，形成金屬 - 金屬共格界面。此界面鍵合能提升至0.28eV? - 2，是vdW的5.4倍，載流子隧穿勢壘接近0eV，首次同時實現(xiàn)70Ω·μm接觸電阻、400°C熱穩(wěn)定性及1.1mA·μm - 1飽和電流，全面滿足2028年IRDS高性能邏輯需求，且在WS2、MoSe2等多層二維半導(dǎo)體中驗證了通用性，為二維集成電路從“實驗室到晶圓廠”掃除了最后障礙。

03【圖文解析】

圖1、ALB接觸與vdW接觸的比較。

圖2、MoS2與金電極之間ALB合金接觸的實現(xiàn)。

圖3、ALB接觸的電子特性。

圖4、鋁基復(fù)合材料接觸面的增強(qiáng)熱機(jī)械穩(wěn)定性。

04【科學(xué)啟迪】

綜上所述，本文通過建立金屬相干結(jié)合界面，成功實現(xiàn)了二維過渡金屬二硫化物半導(dǎo)體與金屬之間的ALB接觸。以“將范德華弱接觸升級為金屬共格強(qiáng)鍵合”的思路，破解了二維半導(dǎo)體電極的電阻和熱穩(wěn)定性雙重瓶頸，展現(xiàn)了材料 - 工藝 - 器件協(xié)同設(shè)計的強(qiáng)大作用。其核心是“讓界面自己長出匹配晶格”，利用TMD本征層間弱耦合，使過渡金屬面在失配應(yīng)力下主動收縮，與金屬晶格自對準(zhǔn)，把高能量壘的“隧道口”變?yōu)榱銊輭镜摹案咚僭训馈薄LB接觸克服了范德華半導(dǎo)體的固有缺陷，提高了范德華電子器件的工業(yè)兼容性，有望推動二維電子器件從“實驗室走向工廠”。

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