作者

李云，云亭赫，方伍庆，崔楠，魏博翰，沐浩然，杜罗军，章嵩，张广宇，林生晃

机构

武汉理工大学，松山湖材料实验室，中国科学院物理研究所，中国科学技术大学，华南师范大学，中山大学

Citation

Yun Li et al. 2026. Ultrathin GaOx tunneling contact for 2D transition-metal dichalcogenides transistor. Int. J. Extrem. Manuf. 8 045504

扫码阅读全文

https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae51d2

01 文章导读

二维半导体器件的性能提升在很大程度上受限于源漏级金属与沟道材料接触界面中的费米能级钉扎现象与高接触电阻问题。针对传统隧穿层在低温大面积可控制备及接触调控方面的局限，近期，松山湖材料实验室林生晃研究员、中国科学院物理所张广宇研究员和武汉理工大学章嵩研究员联合团队提出了一种基于液态镓金属自限氧化印刷的超薄氧化镓隧穿接触新策略。研究团队利用纳米级 GaO_x中富含氧空位的缺陷态，构建多重电场与温度协同激活的混合隧穿通道，在二维场效应晶体管中实现了超低接触电阻与高载流子迁移率。相关成果以题为“Ultrathin GaOx Tunneling Contact for 2D Transition-metal Dichalcogenides Transistor”的研究论文发表于 SCI 期刊《极端制造（英文）》（International Journal of Extreme Manufacturing）。

02 图文解析

本研究的创新之处在于提出并验证了一种基于可印刷超薄 GaO_x隧穿层的二维晶体管接触工程新策略。研究者利用液态镓自限氧化特性，制备出厚度仅约 3.6 nm 的超薄 GaO_x薄膜，并首次将其功能化为二维半导体器件中的主动隧穿接触层。不同于传统 hBN 等绝缘隧穿介质，该 GaO_x 薄膜中引入的氧空位缺陷态显著缩窄了有效隧穿势垒宽度，从而在金属与 WS₂沟道之间构建了低势垒、高隧穿率的载流子注入通道。

研究表明，GaO_x隧穿接触并非依赖单一隧穿机制，而是在电场与温度协同作用下，激活了由氧空位调控的复合隧穿传输机制，包括缺陷辅助隧穿、直接隧穿以及 Fowler–Nordheim 隧穿的协同贡献。这种独特的混合隧穿行为使器件同时实现了超低接触电阻（2.38 kΩ·μm）、极低接触势垒（3.7 meV）以及创纪录的多层 WS2 电子迁移率（296 cm²·V^-1·s^-1）。

此外，该 GaO_x 隧穿层采用液态金属低温印刷工艺实现，与二维材料形成范德华集成界面，有效避免了费米能级钉扎问题，并展现出优异的大面积一致性与器件稳定性。该工作不仅阐明了超薄 GaO_x 中氧空位在隧穿调控中的关键物理作用，也为低维电子器件中可规模化、低热预算的高性能接触工程提供了一种全新的实现路径。

图1 印刷 GaO_x 层的结构与性能表征。

图2 常温电学性能表征。

图3 GaO_x层中电子隧穿机理分析。

图4 传输特性的温度依赖性。

图5 隧穿接触晶体管器件性能的统计分析。

03 总结与展望

本研究通过引入可印刷超薄 GaO_x隧穿层，系统揭示了氧空位调控下的复合隧穿输运机制，并在多层 WS₂ 场效应晶体管中实现了同时兼顾高迁移率、低接触电阻与低势垒高度的优异器件性能。该工作不仅突破了传统二维器件中金属–半导体接触受限于肖特基势垒与费米能级钉扎的瓶颈，也为隧穿接触从“被动绝缘层”向“功能化注入界面”的转变提供了新的物理图景和工艺范式。另一方面，该低温、可印刷的 GaO_x 制备工艺为大面积集成、柔性电子及后端兼容制造提供了重要可能性，有望推动二维器件从实验室验证向规模化应用迈进。

04 作者与团队简介

林生晃

松山湖材料实验室

林生晃，松山湖材料实验室研究员、博士生导师，新型光电功能材料与器件团队负责人。主要从事低维光电功能材料与器件的研发以及光电子集成方面的工作，聚焦新材料体系的构建和新型光电子器件的系统集成，以期为下一代光电子产业发展提供新思路。迄今在Nature Electronics，Nature Communications, Advanced Materials,等期刊发表学术论文100余篇，总被引用8300余次，H因子42。现任SmartMat期刊副主编及Materials Futures期刊编委。

张广宇

中国科学院物理研究所

张广宇，中国科学院物理研究所研究员、博士生导师，纳米实验室主任。曾入选国家高层次人才特殊支持计划青年拔尖人才、万人计划科技创新领军人才、中国科学院引进国外杰出人才等。在纳米物理与器件领域有20多年经验积累，发表论文230余篇（Science和Nature系列刊物论文38篇），总引22000余次，单篇最高引用2400余次，H指数66。

章嵩

武汉理工大学

章嵩，武汉理工大学材料复合新技术全国重点实验室研究员、首席教授、博士生导师，国家级高层次人才。主要从事先进薄膜与涂层材料的设计优化、性能评价与工程应用以及相关生产装备的研发工作。主持科技部国家重点研发计划、工信部高质量发展专项、国家自然科学基金项目、湖北省技术创新专项重大项目等。获中国建筑材料科学技术奖基础研究一等奖、技术发明一等奖、中国专利优秀奖等。中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛金牌导师，国家级教学成果奖二等奖。在Nature子刊等期刊发表SCI论文130余篇，授权发明专利30余项。

关于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing (《极端制造》），简称IJEM，中国机械工程学会极端制造分会会刊，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。JCR最新影响因子25.1，位列工程/制造学科领域第一。期刊分区表工程技术1区，TOP期刊。入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文领军期刊。

期刊网址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

作者福利：

• 金色开放获取

• 提供绿色通道快速评审原创突破性成果

• 接收后24h内在线

• 免费全球化宣传推广

• 免费高质量图片编辑与规范化文献校对

专题征稿

  Call for Papers  

文章合集

   Collection   

支持单位：