1 工作简介

         ——突破介电击穿极限的超掺杂及高性能P型二维半导体晶体管

原子级二维半导体（two-dimensional semiconductors， 2DSCs）在原子级薄厚度下仍然具有高迁移率、无悬空键、免疫短沟道效应、易制备异质结等优异性能，近年来成为研究低功耗、超高集成度、柔性、超快芯片领域的热点，是后摩尔时代的优质第五代半导体。调控二维半导体中的载流子浓度，对掌控其基础电子特性、降低金属-半导体接触电阻以及提升器件性能起着关键作用。

传统半导体工艺中晶格替代掺杂（如离子注入）易于产生高能损伤，而表面吸附物诱导的电荷转移掺杂则通常涉及剧烈的化学处理、表面杂质的引入和化学稳定性等问题，因此它们难以适用于原子级薄的2DSCs。

在实现真正对称、高效的二维CMOS电路过程中，P型二维半导体器件始终是“短板中的短板”，成为制约二维半导体集成电路实现的关键因素。P型器件在电极材料方面长期面临高功函数、低熔点且工艺友好金属材料的缺失，导致接触电阻（R_C）居高不下，开关速度与能效难以提升。尽管在N型器件上，无钉扎范德华接触、低能沉积金属、半金属接触等策略已展现出显著成效，但P型二维器件的界面调控、低R_C实现与规模化工艺仍面临重大挑战，亟需创新性突破支撑高性能基于二维半导体的CMOS集成电路的实现与产业应用。

有鉴于此，湖南大学化学化工学院段曦东教授团队开发了一种对P型二维半导体进行可栅控的超掺杂方法。研究团队使用单层二硫化锡（1L-SnS₂）与双层二硒化钨（2L-WSe₂）构建具有III型能带排列的二维范德华异质结构（vdWHs）。背栅偏置电压（V_gs）能够对层间电荷转移掺杂进行有效调制，实现了超过典型介电击穿的最大静电掺杂极限的超掺杂，获得了高达1.49×10¹⁴ cm^–2的超高二维空穴浓度。高空穴浓度使P型二维晶体管展现出优异性能，其最低源漏接触电阻（R_C）低至0.041 kΩ·μm，最高开态电流密度（I_on）高达2.30 mA/μm。这些都是文献报道中的世界纪录。

研究成果提供了一种在半导体，特别是二维半导体中实现超掺杂的新方法，并提供了一种与现有半导体工艺兼容的P型二维半导体接触问题解决方案，实现了超高性能的P 型二维半导体晶体管，验证了二维半导体晶体管极限性能，为实现基于二维半导体的CMOS芯片的先进制程打下了坚实的基础。

研究成果于2025年6月12日以“Gate-driven band modulation hyperdoping for high-performance p-type 2D semiconductor transistors”为题发表在Science（Science, 2025, 388, 1183-1188），赵蓓、张祖城和徐俊卿为共同第一作者，段曦东教授为通讯作者。

2 主要作者简介

第一作者

赵蓓，博士，青年首席教授，博士生导师，国家“优秀青年基金”获得者，小米学者，东南大学“至善学者”。现任物理学院院长助理。

主要从事新型二维材料和二维复杂结构的制备与机理、二维材料光电性质和先进光电功能器件研究工作，在二维异质结构的精准构筑、物性调控以及光电器件等领域取得了创新性的研究成果，以第一/通讯作者在Nature、Science、Nat. Commun.等刊物上发表了SCI论文二十余篇，研究成果被Science Daily、R&D Magazine、Science Newline等科学媒体广泛报道。承担或联合承担了多项国家自然科学基金委和江苏省项目。

共同第一作者

张祖城，2025年于湖南大学取得理学博士学位，师从段曦东教授。

主要从事二维半导体电子器件物理研究及低维材料物理性质探索。在Science，Small Structures等国际知名杂志上以第一作者身份发表论文，博士期间针对二维电子学领域的关键科学问题进行攻克，发现栅极驱动能带调制超掺杂效应，并将其应用于二维电子器件领域，实现高性能P型二维半导体晶体管。曾获湖南大学优秀博士学位论文等荣誉。

共同第一作者

徐俊卿，合肥工业大学物理学院教授，博士生导师，教育部和安徽省青年人才。

主要从事自旋电子学、电子输运、二维材料电子结构等方面的第一性原理理论研究，在相关的先进计算方法开发和应用研究上取得了显著成果。作为第一/共一/通讯作者在Science、Nature Communications、Phys. Rev. Lett.、Nano Letters等国际顶级期刊发表系列论文。相关工作被Science Daily、APS Physics等学术媒体报道。

通讯作者

段曦东，湖南大学二级教授，长江学者特聘教授，博士生导师，高级工程师。

段曦东教授近年来一直从事新二维材料和二维复杂结构（包括横向和垂直异质结、多异质结、超晶格、异质结阵列）的制备、表征和在电子、光电子、催化等领域应用等的研究。近年来相关研究以通讯作者或第一作者发表SCI论文近100篇（其中包括Science 2篇，Nature 2篇，Nat. Nanotechnol. 3篇，Nat. Mater. 2篇，Nat. Electron. 2篇，Nat. Commun. 2篇，J. Am. Chem. Soc. 3篇, Chem. Soc. Rev. 3篇, Adv. Mater. 9篇，Adv. Fun. Mater 9篇，Angew. Chem. Int. Ed. 1篇等），论文总他引17000余次，单篇论文引用超900次。有授权专利49项。获2017年湖南省自然科学一等奖（排名第二），获2017年中国电子科技十大进展奖，2018年获湖南大学岳麓学者特聘教授A岗，2019年获国家自然科学二等奖（排名第三），2020年获中国材料研究学会科学技术奖一等奖（排名第一）。2021年获得教育部长江学者特聘教授。他通过精确调控二维材料的化学成分和电子结构，在国际上率先创制了原子级薄的二维半导体材料横向异质结、异质结阵列、超晶格；在国际上率先创制了二维垂直范德华异质结阵列；在国际上率先创制了二维高阶范德华垂直超晶格；合成了数十种新型二维材料及其异质结；成功示范了其在电子器件、光电子器件等方面的应用。2017年和段镶锋教授合作，实现了二维异质结、多异质结以及超晶格的可控外延生长（Science 2017），这是以湖南大学为第一单位发表的首篇CNS论文。

3 原文传递