界面化学助力突破二维半导体接触电阻瓶颈

概述

随着摩尔定律逐渐逼近物理极限，二维半导体材料因其原子级厚度和优异的电学性能，成为下一代电子器件的热门候选材料。然而，二维半导体器件的性能提升面临一个重大挑战：金属与半导体之间的接触电阻问题。传统的金属-半导体接触方式通常会导致金属诱导间隙态（metal-induced gap states, MIGS）和缺陷诱导间隙态（defect-induced gap states, DIGS），形成肖特基势垒，导致接触电阻高，严重限制了器件性能的提升。尽管范德华 (van der Waals, vdW) 接触可以避免金属诱导间隙态，但由于其较弱的相互作用，难以实现低接触电阻和高电流密度。为了克服上述挑战，本研究基于此前构建的氢键接触理论模型（Mater. Horiz., 2023, 10, 5621-5632），通过在三维金属与二维半导体之间引入纳米限域极化水分子来增强界面作用，并利用界面化学调控接触性质。

研究内容

• 界面偶极子效应：本研究通过第一性原理计算发现，金属表面纳米限域水分子的极化方向与金属功函数密切相关。不同功函数的金属（Sc、Al、Cu、Pd、Pt）与水分子接触时，水分子的极化方向不同，但所有金属的有效功函数均降低。

• 费米能级钉扎效应：极化水分子的引入导致显著的界面偶极子效应，显著改变了金属与半导体之间的接触电势差，导致强烈的费米能级钉扎效应。与传统的 MIGS 和 DIGS 引起的费米能级钉扎不同，这种效应主要源于界面偶极子对接触电势差的屏蔽作用。

• 化学反应及动力学：利用 climbing image nudged elastic band（CI-NEB）方法研究了固液 vdW 异质结的化学反应动力学和热力学稳定性，量化了异质结处于不同温度下的接触性能。

• n型欧姆接触：对于铝（Al）与单层二硫化钼（MoS₂）之间的接触，极化水分子的存在导致显著的界面电荷转移和氢键增强的共振隧穿效应，使得接触电阻大幅降低，从而实现 n 型欧姆接触。
• 亚5纳米接触长度：由于接触电阻的显著降低，铝/水分子/MoS₂ 接触的接触长度可以缩小到亚5纳米级别。具体来说，Al-OH/MoS₂ 触点有望在 1.7 nm 和 5 nm 接触长度时分别实现低至 107 Ω μm 和 66 Ω μm 的接近理想的接触电阻，这对于未来器件的小型化具有重要意义。

总结

在这项研究中，我们强调了固液范德华异质结的界面化学变化作用，特别是在调节二维材料的电子特性方面。之前的研究表明，范德华接触可以避免金属诱导的间隙态，而本研究则证明，由纳米限域极化水分子产生的界面偶极子可以显著影响二维材料的固有接触电势差，从而导致费米能级钉扎效应。研究结果表明，冰状水双分子层的极化取向与接触金属的功函数之间存在很强的相关性，从而导致电子行为的明显变化。此外，固液界面中涉及的物理化学相互作用为在二维晶体管中实现工程欧姆接触和有效电荷转移掺杂提供了启示。铝与纳米限域水的相互作用促进了其与 MoS₂ 的牢固氢键结合，从而实现了亚 5 纳米的接触长度，并显著降低了接触电阻。这一进展不仅有可能将二维电子器件的接触性能提升到与硅基 FinFET 相媲美的水平，还能增强我们对界面相互作用的理解，为优化器件性能和材料科学的新应用铺平道路。

参考文献

• Liu, D.; Zhang, S.; Zhang, M. Interfacial Chemistry at Solid–Liquid van Der Waals Heterojunctions Enabling Sub-5 Nm Ohmic Contacts for Monolayer Semiconductors. Mater. Horiz. 2025. https://doi.org/10.1039/D4MH01284D.
• 氢键接触理论模型（详细介绍）：D. Liu et al., Mater. Horiz., 2023, 10, 5621-5632.
• 氢键接触实验验证：D. Liu et al., Adv. Mater., 2024, 36, 2404626.

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