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研究背景

金属-半导体接触对于高性能电子设备及其工业集成至关重要，特别是在设备尺寸持续缩小的背景下。工业级接触必须具备超低接触电阻（R_C）、优异的热机械稳定性及增强的导热和导电性。

关键问题

目前，半导体材料的研究主要存在以下问题：

1、二维材料接触挑战

在过渡金属二硫化物（TMDs）等二维范德华（vdW）半导体中，实现强键合接触极具挑战性。vdW 间隙阻碍了金属与半导体之间的电荷转移，并且无悬挂键的表面极大地降低了化学键合的可能性，导致能带耦合弱和键合强度低。

2、缺乏工业级热稳定性与低接触电阻的协同突破

现有方案（如边缘接触、半金属接触）虽然已将R_C降至数十 Ω⋅μm，但几乎所有方案都未能打破 vdW 界面的弱键合。R_C和满足BEOL集成所需的 400°C 热机械稳定性无法同步实现，远逊于强共价键合界面，从而阻碍了二维电子学从“实验室走向工厂”的产业化进程。

新思路

有鉴于此，北京科技大学张跃院士、张铮教授和张先坤教授等人报道了一种原子层键合（ALB）接触，通过在过渡金属二硫化物（TMDs）的过渡金属原子层与金属之间建立金属相干键合界面，实现了强能带耦合和高界面内聚力。这种接触表现出超低接触电阻和卓越的热机械稳定性，可与共价键合接触相媲美，并超越了所有已报道的接触配置。在单层二硫化钼和金中形成的 ALB 接触展示了 70 欧姆微米的接触电阻，以及高达 400°C 的热机械稳定性，并在高温退火后提供了 1.1 毫安每微米的最大导通电流，所有这些都满足工业集成要求。

技术方案：

1、比较了ALB 接触与 vdW 接触

ALB接触通过过渡金属d轨道特性实现高键合强度和载流子隧穿概率，显著增强能带耦合，提升热机械稳定性，比vdW界面性能更优。

2、实现了ALB 接触

实现ALB接触需精确去除上层S原子，利用Mo−Mo晶格收缩与Au晶格匹配。实验中，超软氩等离子体刻蚀后Mo−Mo晶格收缩5.81%，形成近乎完美的Mo−Au相干键合，界面连续且热稳定性高。

3、表征了ALB 接触的电学性能

ALB接触的单层MoS₂晶体管在高温退火后漏源电流显著增加，电阻极低，肖特基势垒高度降低，导通电流达1.1 mA/μm，展现出优异的电学性能和卓越的热稳定性。

4、证实了ALB 接触增强的热机械稳定性

ALB界面的强键合显著增强热机械稳定性，有效抵抗高温下金属电极再结晶变形，保持晶体管结构和性能稳定，而其他接触方式在高温下性能下降或失效。

技术优势：

1、实现了超工业级协同性能突破

ALB 接触在二维半导体中首次实现了超低接触电阻（70 Ω⋅μm）和极高热机械稳定性（400°C）的协同突破。其性能与半导体工业中的共价键合接触相当，有效解决了传统 vdW 接触面临的 R_C高和稳定性差的固有问题。

2、揭示了原子层级的相干金属键合机制

作者通过精确蚀刻去除上层S原子，在MoS₂的Mo原子层与Au电极之间建立了金属相干键合界面。这种键合利用了过渡金属 d 轨道的强键合能力，通过 Mo−Mo 晶格收缩来匹配 Au 晶格，确保了界面具有高度的内聚力和有序的晶格结构，从而提供了优异的导电性和结构稳定性。

技术细节

ALB 接触与 vdW 接触的比较

理论分析表明，在 TMDs 的过渡金属原子层和金属之间实现 ALB 接触是全面提升接触性能的理想途径。这得益于过渡金属原子 d 轨道的多向性和远延伸性，这使其与金属电极之间具有高键合概率和强键合能力，形成了有利的电子结构基础。通过DFT计算，研究发现去除上层 S 原子后，单层 MoS₂ 中的 Mo 原子层可通过晶格弛豫与 Au (111) 原子相干键合。这种 ALB 界面上的电荷转移和积累明显高于 vdW 界面。静电势剖面显示，ALB 界面的载流子隧穿概率为 100% (Φ_t=0)，而 vdW 界面存在 3.37 eV 的势垒高度。能带结构分析表明，ALB 接触中 Mo d 轨道和 Au d 轨道形成的多个杂化带与费米能级（E_F）相交，显示出能带耦合的显著增强。此外，计算得到的 ALB 界面键合能高达 0.281 eV/A˚²，比 vdW 界面强 5.4 倍（vdW 为 0.052 eV/A˚²），这种高度内聚的相干键合界面保证了卓越的热机械稳定性。

图  ALB接触和VDW接触的比较

ALB 接触的实现

实现 ALB 接触的关键在于精确去除上层 S 原子层。由于 S 空位形成能远小于 Mo 空位（小 3 至 4 倍），这为精确去除 S 提供了操作窗口。另一个关键在于过渡金属原子层晶格与金属电极晶格需要高度匹配。对于 Au 和 MoS₂ 系统，天然的 Mo−Mo 晶格 (3.151A˚) 与 Au−Au (111) 晶面晶格 (2.914A˚) 存在高达 8% 的失配。DFT 计算结果显示，实现相干 ALB 键合的关键在于 Mo−Mo 晶格的收缩，而非 Au−Au 的适度膨胀。在实验中，通过使用超软氩（Ar）等离子体精确刻蚀上层 S 原子层后，Mo−Mo 晶格收缩了 5.81%，非常接近与 Au 相干键合所需的收缩率。这种收缩产生的局部裂纹会被随后沉积的 Au 填充，并提供了晶格弛豫的空间，有助于在加热时释放内部应力，从而保证界面的连续性和高热稳定性。通过 HAADF-STEM 图像观察到，Mo 原子与 Au (111) 原子形成了近乎完美的相干键合，且 Mo−Mo 晶格收缩得到证实，同时 Au 与 Mo 之间的面间距（2.332 A˚）远小于传统 vdW 间距，这证实了非 vdW 键合的形成。

图  二硫化钼与Au电极间ALB接触的实现

ALB 接触的电学性能

对单层MoS₂晶体管的电学性能评估显示，ALB 接触具有优异的性能。在 300°C 退火后，由于 ALB 质量增强，漏源电流显著增加。RC 值通过 TLM 方法提取，从原始器件的 170 Ω⋅μm 降低至 300°C 退火后的 70 Ω⋅μm，最低可达 61 Ω⋅μm。这种在长期高温退火后仍能保持极低电阻的特性在二维半导体接触中是独一无二的。同时，退火后肖特基势垒高度（SBH）降至极低或可忽略值，与理论计算一致。对于 30 nm 短沟道 MoS₂ FET，在 V_ds 仅为 0.7 V 时，最大导通电流 (I_ds) 达到 1.1 mA/μm，代表了单层 MoS2 FET 的最佳电流。实验还证实，只有 S:Mo 比例接近 1:1 的 ALB 接触才拥有最高的开关比、最大的导通电流和最好的热机械稳定性。ALB 器件在 300°C 退火 5 小时和 400°C 退火 3 小时后，依然表现出持久的稳定性，超越了所有已报道的二维晶体管的耐热性。与现有接触方案相比，ALB 接触在高温退火后依然保持最低的 R_C 和高导通电流。

图  ALB触头的电性能

ALB 接触增强的热机械稳定性

ALB 界面带来的强键合优势显著增强了热机械稳定性，能够有效抵抗金属电极在高温下的再结晶塑性变形。在弱键合的 Au 直接接触中，电极受热易发生再结晶变形，导致应力转移至接触区和沟道区。电子背散射衍射（EBSD）图显示，在相同加热条件下，ALB 界面上 Au 的再结晶程度远低于 MoS₂ 界面上的 Au。因此，具有 ALB 接触的短沟道 MoS₂ 晶体管在加热前后结构非常稳定，而 Au 直接接触的再结晶变形可导致沟道拉伸 85%。拉曼光谱分析进一步证实，ALB 接触的沟道在加热前后未受应力影响，而 Au 直接接触的沟道承受了严重的拉伸应力。此外，在 300°C 退火后，除了 ALB 接触器件外，其他类型的 Au 接触（包括顶接触、边缘接触和 vdW 接触）的开关性能均出现下降或丧失，这是由于电极再结晶变形引发的严重沟道应力集中或接触分离所致。

图  增强ALB接触的热机械稳定性

展望

总之，本文成功提出了原子层键合（ALB）接触策略，通过精确去除 TMDs 表层原子并实现金属相干键合界面，克服了二维材料在工业应用中的核心瓶颈。ALB接触在R_C（70 Ω⋅μm）和热机械稳定性（400°C）上达到了协同突破，性能媲美甚至超越了工业共价键合接触。这种高内聚力的接触机制通过抵抗高温下电极的再结晶和应力诱导的器件退化，保障了短沟道晶体管的长期稳定性。ALB 接触的成功示范（最大导通电流达 1.1 mA/μm）极大地提高了 vdW 电子设备的工业兼容性，有望引领二维电子学实现从“实验室到工厂”的转型。

参考文献：

LI GAO, et al. Atomic layer bonding contacts in two-dimensional semiconductors. Science, 2025, 390(6775): 813-818

DOI: 10.1126/science.adz2405

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz2405#tab-contributors

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