随着半导体器件尺寸持续逼近物理极限，晶体管微缩正面临前所未有的瓶颈。随着器件尺寸不断缩小，金属晶界散射、界面原子失配和电势不均等微观效应正日益成为性能瓶颈。金属与半导体接触界面处的费米能级钉扎效应会导致高接触电阻，严重制约载流子的注入与输运效率。因此，制备与半导体单晶结构相匹配的单晶金属，将金属结构的有序性提升至与半导体单晶相匹配的水平，已成为突破接触限制、将器件性能推向极致的关键路径。
针对这一关键难题，中国科学院上海技术物理研究所红外科学与技术全国重点实验室褚君浩院士团队，联合复旦大学、湖南大学、新加坡国立大学等单位，创新性地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，直接制备出单晶金属。该技术的核心在于一种全新的时间域解耦弛豫外延机制：通过将沉积过程分解为反复的原子级低剂量沉积与充分弛豫停顿，有效降低金属成核密度、提高原子扩散长度、增强晶畴横向生长与并合，从而开辟了单晶金属生长的全新动力学路径。研究团队形象地比喻这一过程如同叠放“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，突破了传统连续沉积中成核与扩散的竞争限制。
该技术具有普适性，研究团队已成功实现铋、银、铟、金和钯等多种单晶金属的高质量制备，所制备的单晶金属可与各类单晶半导体构筑原子级平坦、洁净且高度有序的界面，具备标准、稳定且空间均一的功函数以及极小的空间电势分布波动。基于单晶金属接触构筑的二维半导体器件表现出显著减弱的费米能级钉扎效应，展现出接近理想的肖特基-莫特行为和超低接触电阻。实验结果表明，所制N型和P型晶体管开关比均超过10¹⁰，沟道长度缩短至50 nm时开态电流均高于1.1 mA μm⁻¹，N型、P型接触电阻分别低至36 Ω·μm和145 Ω·μm，载流子注入与输运性能优异。此外，单晶金属还展现出良好的线宽微缩能力、超薄厚度下保持连续导电的能力以及显著增强的热稳定性。
相关研究成果以“Direct evaporation of single-crystal metal contacts for 2D semiconductors”为题，于8月27日发表在《科学》(Science)杂志上。该技术有望为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提供核心支撑，是推动信息技术硬件迈向高密度、低功耗的重要材料基础。
参考资料来源：中国科学院上海技术物理研究所
