金属与半导体、绝缘材料共同构成现代信息技术的物质基础。长期以来，研究人员更重视半导体的单晶质量，而金属通常仅被视为导电材料。随着器件尺寸逼近物理极限，金属晶界散射、界面原子失配和电势不均等问题日益突出，金属的单晶性也成为影响器件性能的重要因素。因此，发展单晶金属原位制备技术，实现整个器件体系的原子级有序，是进一步提升器件性能的关键。

近日，湖南大学集成电路学院科研团队与中国科学院上海技术物理研究所、复旦大学、新加坡国立大学等科研单位合作，提出了一种单晶金属薄膜原位分步蒸镀技术（Step-Eva）。利用热蒸发设备交替进行原子级低剂量沉积与间歇停顿，即可直接制备单晶金属。其核心在于探索了一种新的时间域解耦弛豫外延机制，该机制能够有效降低金属成核密度、提高原子扩散长度、增强晶畴的横向生长与并合，从而为单晶金属生长提供一条全新的动力学路径，实现金属原子的有序排列和单晶生长。整个制备过程如同叠“俄罗斯方块”，每一步都为金属原子留出充分的“调整”和“归位”时间，从而突破传统连续沉积中成核与扩散的竞争限制。如图1所示，以金属铋（Bi）为例，该方法能够在二维半导体表面原位制备出长程有序、晶向一致、大面积的单晶金属Bi。

Step-Eva技术具有普适性，研究人员完成了Bi、Ag、In、Au和Pd等多种单晶金属的高质量制备。所制备的单晶金属也能够与各类单晶半导体形成原子级平坦、洁净且高度有序的界面，具有标准、稳定且空间均一的功函数，以及极小的空间电势分布波动（图2）。基于此，采用单晶金属接触的二维半导体器件表现出显著减弱的费米能级钉扎、接近理想的肖特基-莫特行为和超低的接触电阻。所构筑的N型和P型晶体管开关比均超过10¹⁰，且在沟道长度缩短至50 nm时，器件的开态电流均超过1.1 mA μm^-1，N型和P型晶体管的接触电阻分别低至36 Ω·μm和145 Ω·μm，展现出优异的载流子注入与输运性能。

此外，单晶金属还展现出良好的线宽微缩能力，超薄厚度下依然保持连续导电，以及显著增强的热稳定性。这些特点有望支撑未来电子与光电集成系统实现极致微缩、高度集成与原子级制造，也是信息技术硬件迈向高密度、低功耗的重要材料基础。

相关成果以“Direct evaporation of single-crystal metal contacts for 2D semiconductors”为题，发表在Science期刊。集成电路学院柳畅副教授为论文的共同第一和共同通讯作者，廖蕾教授为共同通讯作者，湖南大学为通讯单位之一。该论文的共同通讯作者还有中国科学院上海技术物理研究所王旭东青年研究员、新加坡国立大学Lain-Jong Li教授和复旦大学王建禄教授。论文共同作者褚君浩院士、刘渊教授、邹旭明教授等在研究中为本工作提供了重要指导、合作与支持。

该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助，以及岳麓山工业创新中心、湖南大学分析测试中心球差电镜实验室的支持。

图1 机制：Step-Eva技术单晶金属生长机制，单晶Bi例证。

图2 普适性：多种单晶金属生长、功函数及N型、P型器件性能。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aee3132

来源：集成电路学院

责任编辑：卜瀚韬