近日，微电子学院张建华教授、张磊教授、王震宇副教授团队联合瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Andras Kis教授团队，在Nature Electronics（《自然·电子》）上在线发表题为Non-volatile memories based on patterned metal–semiconductor heterostructures of niobium disulfide and molybdenum disulfide的研究论文，王震宇副教授为该论文第一作者。该工作在晶圆级二维材料金属-半导体异质结的规模化可控构筑及其在低功耗非易失存储器中的应用方面取得重要突破，为后摩尔时代新型信息存储与计算器件的发展提供了全新技术路径。
研究背景：二维材料器件的异质集成面临接触瓶颈
二维过渡金属硫族化合物（TMDCs）因其原子级厚度、优异的电学性能和良好的可扩展性，被认为是突破硅基器件物理极限、延续摩尔定律的重要候选材料。然而，在实际器件中，二维半导体与传统三维金属电极之间的界面质量较差，往往引入严重的肖特基势垒和高接触电阻，成为制约器件性能和能效提升的关键瓶颈。
利用二维金属-半导体异质结，形成原子级平整、无悬挂键的范德华界面以有效抑制费米能级钉扎并降低接触势垒，被认为是解决接触问题的有效策略之一。但如何在晶圆尺度上实现高质量、图案化的二维异质结制备，并兼顾器件集成需求，仍然是该领域亟待突破的核心难题。
核心创新：“生长即集成”，晶圆级可图形化的二维金属-半导体的原位生长异质集成
针对上述挑战，研究团队提出并实现了一种可扩展、通用的晶圆级+图形化二维金属-半导体异质集成方法，成功在大面积范围内构筑原位NbS?-MoS?异质结。该方法以金属有机化学气相沉积法（MOCVD）合成的晶圆级单层MoS?为基础，结合光刻图形化、金属选择性沉积以及后续硫化转化等成熟微纳加工工艺，实现了二维金属NbS?在预定义区域内的原位形成与精准定位。这一策略有效避免了传统二维异质结普遍存在的机械转移引入污染、界面不连续以及位置不可控等问题，同时突破了二维金属难以大面积、规则化集成的技术瓶颈，实现“生长即集成”。
通过精确的图形化控制，研究团队能够在晶圆上实现金属/半导体结区的清晰界定与高一致性排布，从而在材料层面直接完成器件级接触结构的设计，为后续晶体管与存储器件的结构优化和功能调控提供了高度自由度。该策略在保证界面质量和器件性能的同时，兼容现有半导体工艺流程，为二维金属-半导体异质结从概念验证走向晶圆级集成与电路应用提供了关键技术支撑。
图1｜NbS?–MoS?图形化异质结的制备与表征。
关键成果：高迁移率、高良率、长寿命非易失存储
研究人员首次将该类图形化二维异质结同时作为沟道材料与二维接触电极，系统构建了场效应晶体管（FET）及浮栅型场效应晶体管（FGFET）非易失存储器，并对其电学性能和可靠性进行了全面评估。实验结果表明，相较于传统单一MoS?器件，引入NbS?-MoS?异质结后，器件接触电阻显著降低，晶体管的开态电流最高提升约9倍。所制备的FET器件在单层MoS?体系中实现了最高77 cm?·V??·s??的迁移率，并对144个器件进行统计，阵列良率高达95.8%，处于国际领先水平。
图2｜基于NbS?–MoS?图形化异质结的场效应晶体管器件。
在非易失存储应用方面，基于该异质结的浮栅晶体管展现出宽编程窗口、连续可调的电导调制能力以及优异的可靠性。器件在超过6万次编程脉冲后仍保持稳定工作，推算的存储保持时间约为19年，显示出良好的长期稳定性和应用潜力。进一步的器件仿真表明，通过合理的控制氧化层缩放，该类存储器在亚100 nm栅长尺度下仍可保持约14 V的编程窗口，为其在先进工艺节点下的集成提供了重要理论依据。
图3｜基于NbS?–MoS?图形化异质结的浮栅存储器件。
图4｜不同栅长尺度下的滞回特性模拟结果。
重要意义：面向低功耗存储与可重构逻辑的二维技术路线
该研究不仅验证了图形化二维金属-半导体异质结在提升器件性能方面的独特优势，也展示了其在低功耗非易失存储器和可重构逻辑电路中的广阔应用前景。相关成果为二维材料从“单器件性能验证”迈向“可规模化电路与系统集成”提供了关键支撑，有望推动新一代低功耗电子器件和二维集成电路技术的发展。
该工作是18k娱乐（集团）微电子学院、中瑞先进技术研究院与瑞士洛桑联邦理工学院长期合作的重要成果之一，体现了中瑞双方在二维材料生长、界面工程及器件物理等方向的深度协同。研究团队表示，未来将进一步围绕晶圆级二维材料的规模化制备与低功耗器件应用等方向展开系统研究，持续推动基础研究成果向实际应用转化。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-026-01634-z
