从实验室到应用：半金属与单层半导体接触电阻的创新解决方案

金属-半导体界面接触电阻是制约半导体器件微缩化的关键问题。传统金属（如Ni、Ti）与二维半导体接触时，金属诱导带隙态（MIGS）导致费米能级钉扎，形成肖特基势垒。现有策略（如重掺杂或插入介电层）在二维材料中效果有限。本研究提出利用半金属铋（Bi）与单层过渡金属硫属化合物（TMDs）接触，借助Xfilm埃利TLM接触电阻测试仪，结合半金属（铋，Bi）的独特电子特性，通过其近零费米能级态密度和能带对准特性，抑制MIGS，消除肖特基势垒，实现欧姆接触。

带隙态饱和机制

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半金属-半导体接触的带隙态饱和机制

 

半金属在费米能级处的态密度趋近于零，与半导体接触时可显著抑制导带 MIGS，使价带能隙态被电子填充至饱和，形成无势垒的简并态界面。理论计算显示，Bi 与 MoS₂界面的隧穿势垒宽度仅 1.66 Å，隧穿电阻率低至 1.81×10⁻⁹ Ω・cm²，为接触电阻的大幅降低提供了物理基础。

接触电阻的量化表征与突破

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单层MoS₂ FET中欧姆接触与肖特基接触的对比

 

通过电子束蒸发在单层 MoS₂接触窗口沉积 20 nm Bi 薄膜，结合传输线模型（TLM）测得接触电阻低至 123 Ω・μm，较 Ni、Ti 接触降低一个数量级以上。35 nm 沟道长度器件的导通电流密度达到 1135 μA/μm，是此前报道的二维半导体器件最高值的 2 倍以上，且接触电阻仅占总电阻的 5% 以下，表明器件性能首次摆脱接触限制，进入沟道本征导电区域。

无势垒接触的多维度验证

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晶体结构与欧姆接触机制

 

温度依赖的电学测试（77-300 K）显示，Bi-MoS₂器件输出特性保持线性，而 Ni 接触器件因肖特基势垒表现出显著非线性，证实 Bi 接触界面无势垒特性。拉曼光谱与 XPS 表征进一步显示，Bi 接触使 MoS₂费米能级上移 400 meV，进入导带形成简并态，电子浓度与理论计算高度吻合，从实验层面验证了能隙态饱和机制对接触电阻的抑制作用。

超低接触电阻与高性能器件

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Bi接触二维半导体技术的性能基准

• 接触电阻：通过传输线法（TLM）测得Bi-MoS₂接触电阻低至123 Ω·μm，接近量子极限。
• 导通电流：在35 nm沟道长度的MoS₂ FET中，导通电流密度达1,135 μA/μm，远超现有二维半导体器件。
• 普适性：该方法适用于多种单层TMDs（MoS₂、WS₂、WSe₂），均表现出线性输出特性和高开关比（>10⁷）。

该接触策略适用于多种二维半导体（包括 MoS₂、WS₂和 WSe₂），且通过标准 CMOS 兼容蒸发工艺即可形成接触，展现出良好的可靠性和可扩展性。铋接触的二维半导体技术有望满足未来技术节点的需求，其接触电阻接近量子极限，为实现高性能单层晶体管并推动电子器件进一步缩小提供了关键技术支持。

Xfilm埃利TLM电阻测试仪

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Xfilm埃利TLM接触电阻测试仪用于测量材料表面接触电阻或电阻率的专用设备，广泛应用于电子元器件、导电材料、半导体、金属镀层、光伏电池等领域。■ 静态测试重复性≤1%，动态测试重复性≤3%■ 线电阻测量精度可达5%或0.1Ω/cm■ 接触电阻率测试与线电阻测试随意切换■ 定制多种探测头进行测量和分析这项研究通过创新的半金属 - 半导体接触策略，借助Xfilm埃利TLM接触电阻测试仪精确表征，首次实现了界面势垒的有效抑制与欧姆接触的稳定构建，在二维半导体领域取得了重大突破，为未来高性能电子器件的发展开辟了新的道路。

原文出处：《Ultralow contact resistance between semimetal and monolayer semiconductors》

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