韩国研究团队开发出一项新工艺，可通过对半导体内部原子进行选择性置换，在同一单层薄膜内集成多种电学功能。

韩国科学技术信息通信部16日表示，基础科学研究院（IBS）范德华量子材料研究团（VdW Quantum Materials Research Group）主任Jo Moon-ho团队研发出一种可对二维半导体原子进行选择性置换的“模块化晶体管制造技术”。相关成果已于当天刊登在国际学术期刊《Science》上。

二维半导体即便薄至原子层，仍具备电流调控能力，被认为是突破硅基半导体微缩极限的下一代关键材料。以往在器件制备过程中，通常需要将半导体、绝缘层和金属电极等不同材料逐层集成，工艺复杂度较高。

此次研究没有沿用多材料堆叠路线，而是提出了一种通过原子置换在单一半导体薄膜内原位生成所需材料的新方法。研究团队将二硒化钨（WSe₂）中的硒原子分别置换为氧、硫、碲等元素，从而在指定区域形成绝缘体、半导体和准金属。通过调节反应温度和气体压力，材料转化可在约0.7纳米（nm）厚度的原子层尺度上完成；结合半导体制程中使用的掩膜，还可实现特定位置的选择性置换。

基于这一工艺，研究团队在单层薄膜上制备出同时集成半导体、绝缘层和电极接触层的晶体管。该器件在室温下的亚阈值摆幅为61.3毫伏（mV），接近约60mV的理论极限，开关比超过1000万。

此外，团队还将电极与半导体之间的能垒降至传统金属电极直接接触方式的约三分之一，并将绝缘层的等效氧化层厚度（EOT）控制在1nm以下，以满足超微缩器件的性能需求。研究人员还进一步制备出将p型与n型晶体管垂直堆叠的互补反相器。该器件可在1伏（V）低电压下工作，验证了其向三维堆叠集成电路拓展的可能性。

研究团队表示，后续将把这项技术拓展至更多二维半导体材料，并推进至晶圆级大面积工艺。

IBS范德华量子材料研究团主任Jo Moon-ho表示，此次研究的意义在于，将原子尺度材料调控这一基础材料科学手段引入现代半导体技术体系，未来有望拓展至超低功耗、超微缩半导体以及下一代堆叠式半导体器件等领域。