手机使用久了会发烫，电脑跑大型软件开始卡顿，背后的罪魁祸首之一，正是芯片内部的电阻。
在下一代超薄芯片的研发上，人们遇到了一件非常头疼的事，不管二维半导体材料本身有多完美，只要一遇到金属电极，两者交界的地方就会产生非常大的电阻。
为了疏通这个微观世界的堵点，来自华中科技大学和新加坡国立大学的科学家联合出手了。他们首创了一种可控的氧掺杂新方法，既可以修复材料内部的微小空洞，还能够成功将接触电阻大幅降低。
这项发表在《Nature Communications》上的研究论文，为未来 1 纳米以下的芯片扫清了一个障碍。
（来源：Nature Communications）
当寻找后硅时代的救星，为何选中二硒化钨？
过去几十年间，手机和电脑的芯片统统建立在硅材料的基础之上，人们不断把芯片里的晶体管做得更小，让性能愈来愈强。
但是硅材料的物理极限已经近在眼前，再继续缩小下去的话，芯片就会由于严重的漏电和发热而罢工。为了延续计算能力的增长曲线，人们把目光投向了二维半导体材料，这种材料的厚度仅有一层原子，薄得令人不可思议，十分有望替代硅成为下一代芯片的核心。
在二维半导体的大家族里面，二硒化钨是一种颇有潜力的材料。要想让芯片进行正常工作，需要两种类型的晶体管加以配合，第一种负责搬运电子，第二种负责搬运空穴。当前，搬运电子的材料研究进展还算不错，但是负责搬运空穴的 p 型晶体管却一直拖后腿。
二硒化钨具备让空穴高速移动的潜力，但是它在制造过程中并不完美。材料内部非常容易产生硒空位，这就像平整的马路中间出现了坑洞，阻碍了空穴的前行。
更加麻烦的地方在于，当二硒化钨与金属电极接触的时候，界面之处会产生一种特殊的物理现象，导致接触电阻变得居高不下。电流走到这里就会遇到严重拥堵的收费站，速度也会大打折扣。
其实人们为了让 p 型晶体管跑得快一点，尝试过许多办法。譬如用特殊的金属去接触材料，亦或是在材料生长的过程中加入其他的杂质。尽管这些方法取得了一些进展，但是距离理想的性能还有很长的路要走。
尤其是在极短沟道的器件里，接触电阻甚至比材料本身的电阻还要大，这就成了卡住整个二维芯片发展的瓶颈之一。要想让二维芯片真正地发挥出潜力，就必须把这个接触面的问题彻底解决，让电流可以毫无阻碍地从金属流进半导体，再从半导体流回金属里面。
（来源：Nature Communications）
用氧气做解药，实现微观世界的精准修补
面对上述难题，此次来自华中科技大学、新加坡国立大学等机构的联合团队，找到了一种十分朴素的化学元素来做解药，那就是人类呼吸的氧气。
他们先是通过理论计算发现，氧原子正好能够与材料内部的硒空位结合，借此形成非常稳定的化学键。这种结合在能量上是最好的选择，相当于为修补微观坑洞找到了一种完美的填补材料。氧原子不仅可以填补空缺，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的平滑。
研究团队在真实的实验中验证了这个想法，他们对比了两种不一样的工艺顺序。第一种是在长好材料后先通氧气，然后再去制作金属电极。第二种是先制作金属电极，接着再通入氧气进行退火处理。
实验结果显示，第二种做法效果奇佳。氧气可以顺着金属的微小缝隙渗透进去，既可以修补材料内部的空洞，还能够把金属与半导体的接触面变成了近乎完美的欧姆接触。
这种后掺杂的工艺利用了金属电极的覆盖，让氧气在最需要的地方去发挥作用，避免了先掺杂、后做电极时可能出现的损伤。
修补完成之后，材料的空穴迁移率从 55 cm²V⁻¹s⁻¹ 提升至 218.3 cm²V⁻¹s⁻¹，接触电阻更是从 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，空穴终于能够在材料里顺畅地奔跑。
迁移率的大幅提高，意味着空穴在材料里移动的时候，受到的散射变少了，它们能够更加自由地穿梭。而接触电阻的骤降，则能够直接解决电流进入和离开材料时的拥堵问题。
这两个关键指标的优化，让二硒化钨晶体管在性能上迈上了新台阶，为后续制备更短沟道的器件打下了坚实的基础。
（来源：Nature Communications）
跑出 81% 的弹道比率，逼近物理极限
拆除阻碍之后，研究团队开始挑战更极限的尺寸。他们把晶体管的沟道长度缩短到 16 纳米。在这个极短的距离之内，电子和空穴在移动的时候几乎不会发生碰撞。
就好比子弹一样直接飞过去，这种现象在物理学上被叫做弹道输运。判断一个晶体管到底有多优秀，弹道输运比率是一个核心指标。比率越高，说明载流子在运动过程中损失的能量就越少，器件性能也就越接近理论极限。
在这项研究之中，16 纳米长的二硒化钨晶体管跑出了 1,635 微安每微米的饱和电流，在室温下的弹道输运比率达到了 81%。这一成绩超越了以往报道的二维 p 型晶体管，甚至在各项指标上优于此前最先进的硅基器件。
这说明二维材料有潜力替代硅，还能够在性能上实现超越。为了达到这一结果，研究团队还采用了全接触结构，他们把顶部接触和边缘接触的优势结合起来，进一步地降低了电阻。全接触结构能够让金属与材料的接触面积更大，接触也更加紧密，从而能够有效减少界面处的能量损耗。
这些数据证明二硒化钨在未来的高性能电子器件中大有可为，之前人们一直担心二维材料的接触问题难以解决，这项成果用实际行动打消了疑虑。
当器件的尺寸缩小到纳米级别的时候，任何一点点微小的电阻都会对整体性能产生巨大的影响。此次团队不仅把电阻降了下来，还在极短的沟道里面保持了极高的载流子注入速度，这对于实现高性能的二维集成电路有着非凡意义。这种在极限尺寸下仍然保持优异性能的表现，给二维半导体的未来带来了新希望。
（来源：Nature Communications）
从实验室走向产线，未来还有多远？
尽管实验室里的成绩十分亮眼，但是要想让这种材料真正走进工厂，还有一段距离要走。研究团队在论文中表示，当前这种出色的性能是在二氧化硅衬底上实现的。假设要在实际生产中应用，还需要研发出合适的高介电常数绝缘层，既要能够把等效氧化物厚度降下来，又要能够保持优异的掺杂效果。
这就需要材料学家和工程师们继续通力合作，寻找最佳的工艺设计方案。另外，二维材料的规模化生长也是一个需要解决的问题。科研实验室里可以精心挑选出完美的单层材料，但是在工厂的流水线上，要想保证大面积生长的材料质量保持均匀一致，还需要在设备和工艺上继续打磨。
从材料的生长、到器件的制备，再到最终的封装测试，每一个环节都需要严格把控。而随着越来越多的科研团队和企业加入到二维半导体研发之中，这些工程上的难题正在被逐一地攻克。
参考资料：
https://www.nature.com/articles/s41467-026-78157-w
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注：封面/首图由 AI 辅助生成