2D Cd 金属接触：低温范德华外延助力高性能 2D 晶体管的突破

二维（2D）半导体在未来电子领域极具潜力，但金属与 2D 半导体间的接触问题阻碍其发展。研究人员通过低温化学气相沉积（CVD）范德华（vdW）外延法生长 2D 金属（Cd）电极，制备的 Cd-MoS2 场效应晶体管（FETs）性能优异，为下一代电子技术带来希望。

　　在科技飞速发展的当下，电子设备不断向小型化、高性能化迈进。硅晶体管技术曾在摩尔定律的推动下取得显著进展，但如今已逐渐触及发展瓶颈。二维（2D）半导体凭借在极端微型化方面超越硅的电传输性能，以及出色的异质集成能力，成为后硅时代电子领域的热门研究对象。然而，金属与 2D 半导体界面处的接触电阻（RC）问题，却如同一道难以跨越的鸿沟，严重阻碍了电子设备的进一步小型化和性能提升。

这一问题的根源在于高肖特基势垒，它由费米能级钉扎（FLP）引起，而 FLP 又源于金属诱导能隙态（MIGS）和缺陷诱导能隙态（DIGS）的形成。为了解决这一难题，学术界和工业界纷纷发力，尝试了诸多方法。比如在接触电极方面，采用电极转移、低能沉积材料、沉积半金属、生长或转换半金属纳米片以及插入缓冲层等技术；在材料本身方面，则试图通过重掺杂半导体来降低肖特基势垒宽度。但这些方法都存在各自的弊端，有的会导致热不稳定、表面粗糙，有的会引入界面无序和缺陷，还有的与微电子后端集成温度不兼容，难以获得理想的界面。

在此背景下，温州大学等机构的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们利用低温化学气相沉积（CVD）的范德华（vdW）外延方法，成功生长出 2D 金属（Cd）电极，有效解决了金属与 2D 半导体接触的难题。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为 2D 晶体管的发展开辟了新的道路。

研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。在材料制备上，采用 CVD 法生长单层 MoS₂ 纳米片和 vdW 外延生长 Cd 纳米片；通过第一性原理计算，从理论上分析了 Cd 与 MoS₂ 的接触特性；利用原子力显微镜（AFM）、高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF - STEM）等多种微观表征技术，对材料的结构和界面特性进行深入研究；同时，通过电学性能测试，获取场效应晶体管（FETs）的各项电学参数。

下面来看具体的研究结果：

• 材料生长、表征和理论分析：选择低功函数金属 Cd 作为接触材料，理论计算表明其与 MoS₂ 形成的异质结构具有低肖特基势垒、小隧穿势垒等优势。实验通过两步法 vdW 外延生长 2D Cd 电极，制备的 Cd 纳米片与 MoS₂ 呈现清晰的 vdW 外延关系，且不破坏底层 MoS₂ 。微观表征显示，Cd 在 MoS₂ 上以 vdW 方式生长，界面干净、无缺陷，vdW 间隙距离小，证实形成了理想的 vdW 接触。
• 亚 100 纳米单层 MoS₂ 晶体管的电学性能：制备的 Cd - MoS₂ 背栅 FETs 展现出卓越的电学性能。其具有低至 70 - 100Ω?μm 的RC ，高的导通态电流密度（如LCH=100nm 时为 788μA/μm ，LCH=50nm 时为 942μA/μm ），高达108 以上的开 / 关比，小的磁滞窗口（112mV/(MV cm^-1) ）以及高达160cm2V?1s?1 的迁移率。与传统蒸发 Cr/Au 接触的 MoS₂ FETs 相比，Cd 接触的器件性能优势明显。
• 2D Cd - MoS₂ FETs 性能指标的综合评估：研究发现，Cd - MoS₂ FETs 在不同短沟道长度下均表现出良好的电学性能，且电场在沟道中分布更均匀，有效降低了接触区域的局部电场强度峰值，提升了导通态性能。此外，该器件在饱和电流稳定性、迁移率、磁滞窗口、阈值电压、开 / 关比等关键参数上，均优于传统光刻 / 金属化技术制备的器件，展示出更高的性能一致性和稳定性。而且，该 vdW 金属外延生长和接触策略对其他 2D 过渡金属二硫族化合物（TMD）材料（如 WS₂ ）同样适用，能显著提升器件性能。

研究结论和讨论部分指出，基于 2D 金属 Cd - MoS₂ 的 FETs 展现出显著的性能优势，其肖特基势垒接近零，RC 极低，导通态电流密度高，开 / 关比大，磁滞窗口小，迁移率高。这些优势得益于 vdW 外延 2D 金属 Cd 接触，其在低温下通过无污染的 vdW 外延提供了原子级纯净的界面，最大程度减少了对底层 MoS₂ 的损伤，有效抑制了 MIGS 和 DIGS，从而提升了器件性能。这一热力学稳定的异质集成策略，为 2D 晶体管的发展提供了一条极具前景的路径，有望在未来电子领域与硅基电子技术竞争甚至超越它，推动电子技术向更高性能、更小尺寸的方向发展，为下一代电子产品的研发奠定了坚实的基础。