基础科学研究院实现0.7纳米原子层选择性转换，为复杂材料堆叠工艺提供替代方案
电流控制性能接近理论极限……成果发表于国际知名期刊《科学》
如果不再逐一堆叠不同材料，而是只替换原子来制造所需部件，会怎样？韩国研究团队成功改变每一层原子层的性质，在一张薄膜中构建出半导体、绝缘膜和电极接触层。这一成果打造出一种新一代晶体管：既能减少复杂的制造工序，又能使电流控制性能接近理论极限。
科学技术信息通信部和基础科学研究院于16日表示，范德华量子物质研究团团长、浦项科技大学荣誉教授Jo Munho带领的研究团队，开发出“模块化晶体管制造技术”，通过选择性替换二维半导体中的原子，制备出具有不同电学性质的材料。研究成果于当天发表于国际学术期刊《科学》。
利用原子层选择性置换制作模块化二维晶体管的概念图。图中展示了在二维半导体薄膜中选择性置换指定层和位置的原子，以形成绝缘层和电极接触层，并在单层薄膜中实现晶体管主要组成部分的过程。研究团队供图。
View original image随着人工智能（AI）的普及，提高半导体集成度和能效的技术日益重要。尤其是能够在仅有数个原子层厚度的情况下控制电流的二维半导体，被视为可弥补传统硅半导体微缩极限的新一代材料。
难点在于制造工艺。制造晶体管需要让电流流动的半导体、用于控制电流的绝缘膜，以及供电流进出的电极。然而，二维半导体表面难以均匀覆盖绝缘膜，直接接合金属电极则可能导致接触电阻增大。虽然也可以通过转移并堆叠不同薄膜来制造，但工艺复杂，难以应用于大规模生产。
研究团队改变了思路。他们没有引入并堆叠其他材料，而是设想通过替换现有半导体中的原子，直接制备所需材料。
研究以二硒化钨（WSe₂）为起始材料，其钨（W）原子层上下由硒（Se）原子层包覆。研究团队保留钨原子，选择性地将硒原子替换为氧（O）、硫（S）和碲（Te）。由此分别制备出绝缘体氧化钨（WO₃）、n型半导体二硫化钨（WS₂），以及导电性良好的半金属二碲化钨（WTe₂）。
每次替换0.7纳米原子层……电流控制性能也接近理论极限
关键在于精确控制原子替换的深度和位置。研究团队利用了薄膜层与层之间的微小间隙会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，以约0.7纳米（十亿分之一米）厚的原子层为单位转化材料。他们还借助半导体工艺掩模，成功实现了仅替换指定位置的原子。
利用这项技术，研究团队制造出一款晶体管，在一张薄膜中集成了半导体、绝缘膜和半金属电极接触层。采用半金属接触层后，电荷从金属电极移动到半导体时必须跨越的能垒降至35.5毫电子伏特，约为直接接合金属电极时的三分之一。
晶体管的电流开关性能也得到改善。要使电流变化10倍所需的栅极电压变化量为61.3毫伏，接近室温下传统工艺晶体管能够达到的理论最低值——约60毫伏。晶体管开启和关闭状态下的电流比也超过了1000万倍。
核心研究团队合影。（从左起）Jo Hyeonjae，韩国基础科学研究院范德瓦耳斯量子物质研究团队学生研究员（浦项科技大学新材料工程系博士生）；研究团队负责人Jo Moonho；博士后研究员Min Seokyoung。韩国基础科学研究院供图
View original image绝缘膜的等效氧化层厚度为0.3至0.4纳米，达到国际半导体器件与系统路线图提出的低于1纳米目标。这意味着即使使用薄绝缘膜，也能有效控制电流。
研究团队还将p型和n型晶体管垂直堆叠，制造出一种可在低至1伏的电压下运行的互补金属氧化物半导体反相器。反相器是将输入电信号反转的数字电路基本组件。这一成果展现了该技术从单个器件拓展至堆叠式集成电路的可能性。
不过，要将这项技术应用于实际半导体生产，仍需在晶圆级大面积工艺中确保原子替换的均匀性和可重复性。研究团队计划将其应用范围拓展至多种二维半导体材料，并进一步研究其在三维堆叠式集成电路中的应用。
基础科学研究院范德华量子物质研究团团长Jo Munho表示：“这项研究将原子级物质操控这一基础材料科学技术与现代半导体技术相结合，为未来半导体技术实现质的飞跃开辟了新途径。”他还表示：“这项技术有望拓展至超低功耗、超微型半导体，以及新一代堆叠式半导体器件领域。”
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