半导体也能像“乐高”一样制造……替换原子，一次制成绝缘膜和电极[读懂科学]
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》
如果不再逐层堆叠不同材料，而是只替换原子来制造所需部件，会是什么样？韩国研究团队成功改变每一层原子层的性质，在一张薄膜中实现了半导体、绝缘膜和电极接触层。由此制成的新一代晶体管不仅简化了复杂的制造工艺，电流控制性能也接近理论极限。
科学技术信息通信部和韩国基础科学研究院（IBS）16日宣布，范德瓦耳斯量子物质研究团队负责人、浦项科技大学荣誉教授Jo Moonho的研究团队，开发出一种“模块化晶体管制造技术”，通过选择性置换二维半导体中的原子，实现具有不同电学性质的材料。研究结果于当天发表于国际学术期刊《科学》（Science）。
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随着人工智能的普及，提升半导体集成度和能效的技术日益重要。尤其是二维半导体，即使只有数个原子层厚，也能控制电流，因此被视为有望弥补传统硅半导体微细化极限的下一代材料。
难点在于制造工艺。制造晶体管需要让电流通过的半导体、用于控制电流的绝缘膜，以及供电流进出的电极。然而，难以在二维半导体表面均匀覆盖绝缘膜，若直接连接金属电极，则可能导致接触电阻增大。虽然也可以转移并堆叠不同薄膜，但工艺复杂，难以应用于大规模生产。
研究团队另辟蹊径。他们没有引入其他材料进行堆叠，而是设计出一种直接替换现有半导体组成原子、制造所需材料的方法。
起始材料是二硒化钨（WSe₂），其钨（W）原子层上下包覆着硒（Se）原子层。研究团队保留钨原子，并选择性地将硒原子替换为氧（O）、硫（S）和碲（Te）。由此分别制成绝缘体氧化钨（WO?）、n型半导体二硫化钨（WS₂），以及导电性良好的准金属二碲化钨（WTe₂）。
每次置换0.7纳米原子层……电流控制性能也接近理论极限
关键在于精准控制原子置换的深度和位置。研究团队利用薄膜层与层之间的微小间隙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（纳米，即十亿分之一米）为单位置换原子层，实现材料转化。他们还借助半导体工艺用掩膜，成功只置换指定位置的原子。
研究团队利用这项技术，在一张薄膜中制造出兼具半导体、绝缘膜和准金属电极接触层的晶体管。采用准金属接触层后，电荷从金属电极转移至半导体时需要跨越的能垒降至35.5毫电子伏特，约为直接连接金属电极时的三分之一。
晶体管的电流开关性能也有所提升。使电流变化10倍所需的栅极电压变化量为61.3毫伏，接近传统晶体管在室温下能够达到的理论最小值约60毫伏。晶体管开启与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1纳米以下目标。这意味着只需使用薄绝缘膜，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，制成可在1伏低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向转换的数字电路基本组成部分。这一成果展现了该技术从单个器件扩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，还需在晶圆尺寸的大面积工艺中确保原子置换的均匀性和可重复性。研究团队计划将应用范围拓展至多种二维半导体材料，并继续研究其在三维堆叠式集成电路中的应用。
韩国基础科学研究院范德瓦耳斯量子物质研究团队负责人Jo Moonho表示：“本研究将原子尺度物质操控这一基础物质科学技术应用于现代半导体技术，为未来半导体技术实现质的飞跃开辟了新路径，意义重大。相关技术有望拓展至超低功耗、超微型半导体，以及下一代堆叠式半导体器件。”
版权所有 © 阿视亚经济。未经许可不得转载，禁止用于AI训练及使用。
