北京
韩国研究团队通过选择性替换二维半导体中的原子，在单层薄膜内实现半导体、绝缘体与半金属电极区域集成，为超微型、低功耗芯片制造提供了新路径。
二维半导体具备原子级厚度和优异的电流控制能力，但如何在极薄材料中精确集成半导体、绝缘层与电极，始终是器件制造面临的关键挑战。韩国研究团队尝试从材料本身入手，通过选择性替换原子，在单层薄膜内构建不同电学功能区域。
原子替换改变材料电学特性
韩国基础科学研究院（IBS）范德华量子材料研究中心主任 Jo Moon-Ho 团队开发出一种名为“模块化晶体管制造技术”的新方法。该技术通过选择性替换二维半导体中的原子，在薄膜指定位置形成半导体、绝缘体和半金属区域，从而实现不同功能区域的一体化集成。相关研究成果已发表于国际学术期刊《Science》。
二维半导体能够在原子层厚度下控制电流，被视为突破传统硅基半导体微缩极限的下一代材料。然而，要将其应用于实际电子器件，仍需解决不同材料之间的精确集成问题，包括负责传导电流的半导体、用于控制电流的绝缘层，以及供电流流入和流出的金属电极。由于二维半导体与其他材料之间的化学键合能力有限，绝缘层难以实现均匀覆盖；直接连接金属电极则可能损伤接触界面，增加接触电阻，降低器件性能。此外，传统的多层薄膜堆叠工艺流程复杂，也给规模化生产带来挑战。
为解决这些问题，研究团队选择二硒化钨（WSe₂）作为基础材料。这是一种 p 型半导体，其钨（W）原子层夹在上下两层硒（Se）原子层之间。研究人员保留中央的钨原子，仅替换周围的硒原子，即可改变材料的电学性质。具体而言，以氧原子替换硒原子，可形成具有绝缘特性的氧化钨；以硫原子替换，可形成 n 型半导体二硫化钨（WS₂）；以碲原子替换，则可形成导电性较高的半金属二碲化钨（WTe₂）。
精确控制反应，实现 0.7 纳米级改性
这项技术的关键在于对化学反应扩散过程的精确控制。研究团队利用薄膜层间的微小间隙能够阻碍反应原子移动这一特性，通过调节反应温度和气体压力，防止化学反应扩散至相邻层，从而将材料转化控制在原子层级，改性厚度仅为0.7 纳米。
与此同时，研究团队还结合半导体工艺中的掩模技术，实现了对薄膜平面内特定位置的选择性改性。这意味着研究人员不仅能够控制材料的改性类型，还能精准确定改性区域的位置，为在同一薄膜中构建不同功能的器件结构提供了技术基础。与传统上将不同材料逐层堆叠的方式相比，这种方法直接改变基础材料局部区域的组成，有望简化器件制造流程，并为进一步缩小器件尺寸提供新的可能。
晶体管性能接近理论极限
基于这项技术，研究团队成功制造出一种模块化晶体管，在同一层薄膜中集成半导体、绝缘体和半金属电极连接区域。测试结果显示，金属电极向半导体传输电荷时的能量势垒降至 35.5 毫电子伏特（meV），仅为直接连接金属电极时的约三分之一。这有助于降低电荷注入的阻碍，改善电极与半导体之间的接触性能。
在电流控制方面，该晶体管的亚阈值摆幅达到 61.3 毫伏每十倍电流变化（mV/dec），接近传统晶体管在室温下约 60 mV/dec 的理论极限。其开关电流比超过 1000 万，表明器件能够通过较小的栅极电压变化实现稳定的电流开关控制。此外，作为绝缘层的氧化钨，其等效氧化层厚度（EOT）达到 1 纳米。EOT 是用于衡量栅极绝缘层电学性能的关键参数，体现了该技术在超薄绝缘层构建方面的潜力。
研究团队还通过垂直堆叠 p 型和 n 型晶体管，制造出互补反相器，并验证了其在 1 伏工作电压下的运行能力。反相器是数字电路的基本组成单元，能够将输入电信号反转。该实验进一步证明，这项技术有望拓展至垂直堆叠集成电路。
推进晶圆级制造与三维集成
研究团队负责人 Jo Moon-Ho 表示，这项研究将原子尺度材料操控这一基础材料科学技术应用于现代半导体制造，为未来半导体技术实现跨越式发展提供了新的突破口。他指出，该技术不仅有望应用于超低功耗、超微型半导体器件，还可以延伸至下一代堆叠式半导体器件技术。下一步，研究团队计划将该方法拓展至其他二维半导体材料，并推进晶圆级大面积制造工艺及三维堆叠集成电路的研发。
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