Science评价“范式转变”：新金属蒸镀方法，让二维晶体管性能大幅提升

2026 年春节期间，湖南大学柳畅副教授所在的实验室深夜仍常常亮着灯。与此同时，来自湖南、上海和新加坡等地的合作团队保持着密切协作，围绕 Step-Eva 分步蒸镀技术持续开展实验和讨论。这种一步一步地来的“笨办法”，最终带来了重要进展。

近期，他和中国科学院上海技术物理研究所、复旦大学、新加坡国立大学等单位研究人员共同完成的论文登上了 Science 杂志，并被期刊编辑评价为“可能代表着一种范式转变，极大地加速了二维半导体在未来电子技术中的集成”。

他告诉 DeepTech，这个方法是这样的：将芯片制造中的金属蒸镀工艺，从过去简单地、一次性连续蒸镀完成，改为每次仅蒸镀一点点，接着停下来等待一段时间，然后再蒸镀一点点。每次仅蒸镀约 0.5 纳米，随后停顿 5 分钟，再继续蒸镀下一层。一根头发丝的直径大约为 6 万纳米，0.5 纳米仅相当于头发丝直径的十二万分之一。

在交流时，柳畅提起了这个方法的起点，他说，研究团队最初的想法是，能否能像“堆叠俄罗斯方块”一样，把金属原子一层一层地有序码放整齐。这个想法听起来简单，但要找到合适的策略将其实现，却并不容易。每次蒸镀的厚度和停顿时间都不能随意选择，而要经过大量实验才能确定。因为太厚了原子来不及排列整齐，太薄了效率太低，停的时间太短原子迁移距离不够，停的时间太长又不实用。参与该工作的几位博士生春节期间也没有放假，持续推进实验，花了大量时间反复摸索，最终才找到答案。

（来源：Science）

镀膜好比摊煎饼：铺一点、等一等

在芯片制造中，有一道常见工序叫作金属蒸镀，即在半导体表面沉积一层金属，用于形成金属电极和电学接触。金属电极负责将电流引入或引出半导体，是晶体管不可或缺的组成部分。长期以来，研究人员在提升器件性能时，往往更加关注半导体材料的单晶质量和本征性能，而金属电极则通常被视为主要承担导电和信号传输功能，只要能够有效引出电流即可。

然而，随着器件尺寸不断逼近物理极限，甚至进入原子尺度，器件逐渐演变为由多个原子级界面构成的复杂体系。此时，金属自身的晶体结构，以及金属与半导体之间的界面状态，都会更加显著地影响载流子注入和器件性能。对于厚度仅有几个原子层的二维半导体而言，这类界面效应尤其突出。

如果把半导体沟道比作一条电子高速公路，那么金属接触就像连接主路的匝道。即使主路性能再好，若匝道通行不畅，器件整体的输运效率仍会受到限制。这个比喻也说明，半导体沟道与金属接触并非彼此独立，二者都十分重要，需要作为一个完整系统进行协同优化。

他们团队逐渐认识到，在极限尺寸下，金属薄膜内部的原子排列同样需要保持高度有序，才能进一步释放器件的性能潜力。这个想法听起来简单，真正实现起来却并不容易。在传统连续蒸镀过程中，金属原子如同被喷枪连续喷出的油漆，不断落到半导体表面。

如果先到达的原子还未来得及迁移到合适位置，后续原子便接踵而至，就容易形成大量彼此独立的晶核，并进一步生长为多晶或纳米晶薄膜。所谓多晶，是指薄膜由许多取向不同的小晶粒组成；晶粒之间的边界，以及由此产生的结构与电势不均匀性，都会阻碍电子输运。

团队想到的办法，是适当放慢金属薄膜的生长节奏：每次只蒸镀少量原子，随后暂停一段时间，让已经到达表面的原子充分迁移和重排，并找到能量更低、更稳定的位置，从而避免形成过多相互独立的晶核。这就像完成一幅拼图，每次只放入少量拼图块，待它们充分对齐后，再放入下一批。

蒸镀过程中的间歇，还有助于缓解连续沉积造成的基底升温和腔体压强波动。在停顿期间，表面原子能够继续横向迁移，并与已有晶畴逐渐并合，最终使金属薄膜变得更加平整、有序。

Step-Eva 的核心在于建立了一种时间域解耦的弛豫外延机制，将金属沉积与表面原子弛豫在时间上分隔开来，为原子的迁移和重排预留充足时间。每次仅沉积少量原子，随后暂停，使已经到达表面的原子能够沿横向充分扩散，并趋向能量更低的位置，之后再进入下一轮沉积。

研究表明，这种生长节奏能够降低金属的成核密度、延长原子的有效扩散距离，并促进晶畴的横向生长与相互并合，从而为金属原子的有序排列以及单晶薄膜的直接生长提供一条新的动力学路径。

（来源：Science）

从多晶到单晶：金属电极的一次跃迁

与传统连续蒸镀形成的金属相比，使用 Step-Eva 蒸镀的金属更加平坦、有序，功函数更稳定，局域电势波动更小。论文里的数据显示，这种方法制作的二维晶体管，性能比传统方法高出了大约两个数量级。

接触电阻降到了极低水平，短沟道电流大于 1.1 毫安每微米，开关比高于 10 的 10 次方。这意味着当电子在金属和半导体之间流动的时候，遇到的阻力基本可以忽略不计。而在接触电阻的测试中，使用新方法所测得的电阻只有传统方法的约三分之一。

更重要的是，这种方法并不局限于某一种金属。研究团队已在铋、银、铟、金和钯等多种金属中验证了其有效性，同时也将其拓展至二硫化钼、二硒化钨等不同二维半导体材料。

此外，当金属的厚度减薄至 8 纳米时，传统方法蒸镀的金属开始变得不连续，以至于失去了导电能力。而此次新方法蒸镀的单晶金属在同样厚度下依然保持完整，导电性能良好，这意味着未来可以使用更薄更窄的金属导线，让芯片做得更小。

正因此，Science 杂志的编辑在评价这项成果时说，它“可能代表着一种范式转变”，范式转变意味着一种根本性的变化，而在半导体领域这样的评价并不算多。

（来源：Science）

手机和电脑会更快吗

目前，这项研究还处于实验室阶段，距离走进普通人的手机和电脑，还有相当长的路要走，但它已经展现出值得期待的应用潜力。

二维半导体被人们认为是未来芯片的重要方向之一，传统的硅材料在极限小尺寸下性能会出现下降，而二维半导体仅有几个原子厚，理论上能够做出更小、更快的晶体管。但是二维半导体有一个麻烦，就是高质量的金属集成非常困难，使得接触电阻非常大，这个问题一直是二维电子学的难点。

这项工作提供的一条思路，是通过提高金属电极的有序度和界面质量来降低接触损耗，从而更充分地发挥二维半导体沟道的性能。这意味着未来的芯片有机会做得更小、更快以及更省电，比如在手机处理器之中，更低的接触电阻就意味着更少的能量损耗，电池续航时间可能会更长。在数据中心里，更高效的芯片代表着更少的散热需求，电费账单可能会更低。

但是从实验室到生产线还有距离，目前的 Step-Eva 需要进行手动操作，每次蒸零点几纳米、停几分钟，如此循环上百次。假设要产业化，就需要开发能够自动完成这个循环的镀膜设备。柳畅也在交流中提到，他们正在考虑与企业围绕专用设备和工艺放大开展合作。

论文发表之后，柳畅也收到了一些来自产业界的关注邮件。有人对他的研究方向做了一番调研，表达了风险投资意向，但是他暂时没有这方面的计划，想把学术研究做得更好，积累更多科研经验。

参考资料：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aee3132

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成