新闻网讯（通讯员 胡浩）5月20日，国际电子学领域顶级期刊《自然·电子学》（Nature Electronics）在线刊发了题为“High-performance p-type monolayer tungsten diselenide transistors（高性能P型单层二硒化钨晶体管）”的论文。该成果由我校国家脉冲强磁场科学中心李学飞副研究员、集成电路学院缪向水教授和意大利比萨大学Gianluca Fiori教授合作完成。强磁场中心博士研究生孙蕾与集成电路学院博士后高婷婷为论文共同第一作者，李学飞、缪向水、Gianluca Fiori为论文共同通讯作者，合作者还包括中心李靖教授、集成电路学院何毓辉教授及南京理工大学张胜利教授。
二维半导体因兼具高载流子迁移率与良好的短沟道效应免疫性，被视为后摩尔时代集成电路亚1纳米先进技术节点的理想沟道材料。单层二硒化钨（WSe2）是一种层状半导体，其直接带隙约为1.65eV，有效质量较低（电子为0.44m0，空穴为0.41m0），且可通过化学气相沉积（CVD）大面积生长，是一种具有潜力的P型二维半导体材料。尽管其具有较高的本征空穴迁移率，但是金属与WSe2之间一直存在高的肖特基势垒。文献中报道的单层WSe₂与金属之间的接触电阻（Rc）通常在3-200kΩ·μm范围内，严重限制了P型WSe₂晶体管的开态电流，尤其是短沟道器件。目前，P型二维晶体管的电学性能仍显著低于N型二维晶体管，制约了二维CMOS电路的发展。因此，如何提出有效的方法来降低肖特基势垒高度（SBH）和Rc，实现大开态电流的P型二维晶体管，成为领域内亟待解决的关键问题。
为解决上述难题，研究团队提出了一种可调且与半导体工业兼容的氧掺杂方法，显著提升了单层WSe₂的电学性能。O₂-WSe₂样品中缺陷峰强度显著降低，证实了氧退火后单层WSe₂中缺陷密度的降低（图2a）。O₂-WSe₂ pFET（沟长2μm）在-2V源极电压下实现1010的超高开关比，室温下场效应迁移率为137cm²//V·s，迁移率统计分布显示O₂退火后晶体管迁移率是不退火的三倍（图2b、c、d），主要归因于氧掺杂对Se空位的有效钝化及WSe₂薄膜缺陷密度的降低。采用传输线法（TLM）结构提取接触电阻Rc发现，不退火WSe₂的Rc值为2.4kΩ·μm，O₂-WSe₂ pFET的Rc可降至0.56kΩ·μm（图2e）。O₂-WSe₂ pFET肖特基势垒高度为49meV，显著低于不退火WSe₂器件的155meV（图2f）。
图2 O2退火前后SiO2上的单层WSe2光致发光和电学表征。（a）直接生长的单层WSe₂在3.4K下经O₂退火与未退火处理后的PL光谱；单层WSe₂器件在430mTorr O₂环境中退火后的转移特性（b）与输出特性（c）；（d）单层WSe₂在430mTorr O₂退火前后空穴场效应迁移率的统计分布；（e）单层WSe₂ pFETs在430mTorr下O₂退火前后的TLM电阻；（f）Rc随SBH的变化关系。
进一步地，为展示单层O₂-WSe₂晶体管的性能潜力，团队采用15nm的SiO₂作为栅介质进行了沟道长度微缩方面的研究。研究发现，45nm沟长的器件在Vds=-0.1V时具有接近109的优异开关比（图3a），在Vgs=-9V、Vds=-1.2V条件下开态电流（Ion）高达1245µA/µm，且未观察到高场输运区的自热效应（图3c）。与其他P型掺杂方法相比，团队通过标准CMOS兼容的工艺，将晶体管的开关比、迁移率、接触电阻、开态电流都提升到了新的高度，单层WSe₂ pFET的Ion值在类似工艺节点下高于P型Si晶体管，并满足高性能逻辑晶体管2028路线图目标（图3d、e、f）。这些结果表明，氧掺杂是实现高性能WSe₂ pFET的有效可靠方法。
图3 短沟道单层WSe2 pFETs器件表征。（a）300K温度下，沟道长度分别为45nm和500nm的WSe₂器件的转移特性曲线；（b、c）a图中Lch为500nm和45nm的WSe₂ pFET对应输出特性曲线；（d）文献报道的CVD单层WSe₂晶体管的开关比与空穴迁移率总结；室温下CVD单层p型WSe₂晶体管的接触电阻Rc（e）与开态电流Ion（f）基准数据。
该研究在原子尺度上阐明了调控P型二硒化钨晶体管电学性能的物理机理，并基于氧处理的无损掺杂方法成功研制出高性能的P型单层二硒化钨晶体管，短沟道时开态电流高达1245μA/μm，显著缩小了与N型二维晶体管之间的开态电流差距，为二维CMOS电路的发展提供了新的思路与潜在解决方案。
该研究工作得到了国家重点研究计划、国家自然科学基金和国家集成电路产教融合创新平台的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-026-01637-w
编辑：郭雨辰
来稿审核：程远
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审定发布：詹健
