10月1日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线刊发了题为“Low contact resistance and high current density in ballistic p-type transistors based on oxygen-doped WSe2 monolayers”的论文。该成果是国家脉冲强磁场科学中心李学飞副研究员与新加坡国立大学李连忠教授、香港理工大学柴扬教授等团队合作，在P型二维半导体晶体管领域取得的重要突破。
随着硅基CMOS技术逐步逼近物理极限，具有原子级厚度的二维半导体被视为延续摩尔定律的重要候选材料。其中，过渡金属硫族化合物如MoS2、WSe2、WS2等受到广泛关注。然而，目前研究多集中于N型器件，高性能P型二维晶体管的发展明显滞后。
单层WSe2是极具潜力的P型沟道材料，但其化学气相沉积生长过程中易产生硒空位等缺陷，导致载流子散射严重、空穴迁移率下降；同时，金属沉积过程中产生的金属诱导间隙态会引起费米能级钉扎，造成高接触电阻。单层WSe2 pFET的接触电阻通常比MoS2接触高一个数量级，严重限制了P型开态电流，基于单层WSe2的高电流弹道P型晶体管此前尚未实现。
图1 单层WSe2中氧钝化硒空位的理论计算
针对上述难题，研究团队提出了氧掺杂修复硒空位、降低接触电阻的策略。密度泛函理论计算表明，WSe2中硒空位形成能最低，是主要点缺陷；而氧钝化硒空位的形成能最低，从能量角度看是最优方案。实验通过氧气退火，有效钝化了硒空位，拉曼光谱蓝移、光致发光谱窄化，束缚激子与自由激子强度比从19.4降至1.9，缺陷态数量减少十倍以上，单层WSe2空穴迁移率从55cm2V-1s-1提升至218.3cm2V-1s-1，接近室温理论极限。
图2 氧在单层WSe2中的掺杂效应
在器件制备中，团队采用“先沉积金属、后氧掺杂”的掺杂顺序，并结合全接触结构与高功函数Pt金属。氧通过金属晶界或侧向扩散进入接触区，形成重p型掺杂，显著抑制费米能级钉扎。结果表明，采用该策略后，单层WSe2与Pt之间形成近欧姆接触，肖特基势垒从132meV降至近零，接触电阻从1869 Ω·μm大幅降至104 Ω·μm，接近量子极限。基于上述方案，团队制备了沟道长度仅16nm的单层WSe2 p型场效应晶体管。该器件在室温下表现出优异的电学性能：开/关电流比高达约108，在漏电压-1.2V下饱和电流达到1635μA μm-1。通过虚拟源模型拟合，器件的室温弹道比高达81%，表明载流子输运已接近弹道极限。
图3 超短沟p型单层WSe2晶体管
与已报道的硅基pFET、FinFET、双栅硅FET以及其他p型二维晶体管相比，该器件在接触电阻、开态电流密度和弹道比等关键指标上均表现出明显优势。
该研究通过可调控的氧掺杂和全接触结构，解决了单层WSe2 pFET高接触电阻这一关键难题，为亚1nm技术节点的高性能二维CMOS提供了可行的P型晶体管方案。
该项工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及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/s41467-026-78157-w
