科学通报 | 二维晶体管中的界面工程: 现状与挑战

华中科技大学徐永善、夏芳芳等在《科学通报》发表评述文章，系统梳理了二维晶体管中的关键界面问题，总结了界面优化思路与性能调控策略，分析了典型应用成果，并展望了未来发展方向，以期推动二维半导体的产业化应用。

场效应晶体管(FETs)是现代光电子信息器件的核心组成单元，其性能迭代直接决定了芯片算力与能效的突破边界。当前硅基半导体随摩尔定律的发展不断微缩，已接近其物理极限。二维半导体具有原子级平整的结构和高载流子迁移率的特性，已成为下一代晶体管沟道材料的理想候选。然而，二维晶体管的实际性能表现却远低于理论预期，主要原因是FETs中的界面问题限制了其性能提升。因此，实现高质量的界面接触成为突破二维FETs性能瓶颈与集成化难题的关键。

图1 二维FETs中的界面，包括二维半导体/二维半导体界面、金属电极/二维半导体界面、介电层/二维半导体界面和封装层(基底)/二维半导体界面

该综述总结了二维晶体管中的四个关键界面：(ⅰ)二维半导体/二维半导体界面、(ⅱ)金属电极/二维半导体界面、(ⅲ)介电层/二维半导体界面、(ⅳ)封装层(基底)/二维半导体界面。其中，二维半导体间通过范德华(vdW)力堆叠的界面，本征具有原子级平整、无悬挂键的优势，界面态密度低。而其余三类界面则受材料表面粗糙度、悬挂键、陷阱态等因素影响更大，且二维材料高比表面积使其易受气体、水分子吸附及应力应变等环境因素干扰，导致器件性能下降。

金属电极/二维半导体界面的核心问题是接触电阻，传输长度法与四探针法为常用测量手段。对于电极制备中的化学试剂残留与表面损伤问题，可以通过优化工艺消除残留物来降低影响。在电极接触方面，当前以vdW电极接触为核心思路，采用转移电极、蒸发低熔点金属、分子晶体缓冲层以及金属性二维材料接触等策略，同时调控费米能级钉扎效应与肖特基势垒，以降低接触电阻。介电层/二维半导体界面的关键问题是界面态密度引发的载流子散射。改善方法主要包括界面工程与vdW介电层集成。界面工程通过表面钝化或插入缓冲层降低界面态、削弱载流子散射。vdW介电层集成是采用新型vdW介电材料(如hBN、Sb2O3等)及二维半导体天然氧化物(如HfO2、Bi2SeO5等)来构建无悬挂键的理想界面，推动器件性能提升。封装层(基底)/二维半导体界面的无序态源于表面吸附、基底粗糙度等，对此的优化策略主要包括封装保护与基底优化。其中封装保护常用聚合物(如PMMA等)、氧化物(如Al2O3等)及二维绝缘体(如hBN等)。基底优化需注重选择具有原子级平整与高热导率的基底，以减少散射并增强散热。

尽管目前对于二维晶体管的界面质量优化已取得了一些进展，但金属电极vdW 接触的高隧穿势垒、vdW介电材料规模化制备与性能不足、无损封装/解封技术缺乏等仍是制约其性能提升的关键瓶颈。未来仍需聚焦上述四个关键界面的界面质量优化，推动二维晶体管性能向硅基器件看齐，实现产业化应用突破。

华中科技大学博士后徐永善为第一作者，夏芳芳助理研究员为通讯作者。本工作得到了国家资助博士后研究人员计划(GZC20250114)、国家自然科学基金(225350004)和苏州实验室开放课题基金(ZLAB-1508-2024-ZD013)的支持。

文章信息

徐永善, 刘开朗, 付英双, 李会巧, 夏芳芳*, 翟天佑. 二维晶体管中的界面工程: 现状与挑战. 科学通报, 2026, 71(9): 1964-1982. DOI: 10.1360/CSB-2025-5643

https://www.sciengine.com/CSB/doi/10.1360/CSB-2025-5643

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