二维半导体量产关键技术取得突破

在后摩尔时代，半导体产业正向微型化、低功耗、高性能方向持续迭代，下一代半导体芯片与微型低功耗电子设备的研发制造，对材料堆叠工艺提出了极高要求。器件性能升级的核心关键，在于将不同功能的半导体、光电材料进行高精度、无损化堆叠组装。在这一制造流程中，完整保留各类材料的固有物理、化学特性，同时保障材料结合界面结构完整、无损伤、无污染，是保障芯片稳定性与性能上限的核心前提。以过渡金属硫族化合物（TMDs）为代表的二维范德华层状材料，凭借独特的层间作用力特性，成为全球学界与产业界重点研究的下一代半导体核心基材。该类材料层与层之间仅依靠微弱的分子间作用力结合，无强化学键束缚，可实现不同功能材料的自由堆叠，且全程能够维持原子级洁净的界面结构，完美适配高端精密半导体的制造需求。

韩国科学技术院（KAIST）化学与生物分子工程系徐俊基（Joonki Suh）教授领衔的研究团队，联合汉阳大学宋奉根（Bonggeun Shong）课题组、美国莱斯大学韩以沫（Yimo Han）课题组，联合攻关并成功研发出一款全新的半导体薄膜制备技术。该技术基于传统原子层沉积（ALD）工艺迭代优化而来，突破了传统工艺的多项技术瓶颈。原子层沉积是微电子领域主流的超薄薄膜沉积工艺，通过交替通入不同半导体前驱体反应物，可实现原子级别的厚度精准控制，沉积出均匀、致密、纯度高的超薄功能薄膜。目前，该项兼具创新性与实用性的研究成果，已正式发表于国际权威期刊《科学·进展》（Science Advances），获得了国际半导体材料领域的认可。

本次研究聚焦二维范德华材料的产业化应用难题。这类新型二维半导体材料由多层原子薄片堆叠构成，层间结合力极弱，可轻松剥离出单原子层的超薄纳米片，结构特性十分优异。凭借可任意堆叠、厚度极致轻薄、电学性能优异等优势，范德华材料被视为下一代AI人工智能芯片、超低功耗物联网半导体器件、高端光电器件的核心构筑材料，是突破传统硅基半导体性能瓶颈的关键方向。

但长期以来，该类材料的产业化应用存在显著技术壁垒。范德华材料表面化学性质高度稳定，惰性较强，难以在其表面均匀生长出晶向统一、结构有序的新型半导体薄膜。尤其是在低温制备环境下，沉积原子的运动稳定性较差，极易出现随机成核、无序生长的问题，导致薄膜结晶质量参差不齐，无法满足高性能半导体器件的量产标准，极大限制了二维半导体材料的商业化落地进程。

核心原理：让前驱体自主搜寻能量稳定位点

针对传统工艺的技术短板，研究团队创新优化了原子层沉积的沉积机制，打造出扩散导向外延沉积新工艺。该技术允许含碲半导体前驱体分子在范德华材料基底表面自由迁移、扩散，无需人工精准控位，前驱体可自主搜寻热力学最稳定的附着点位，自发完成规整排列与沉积成型，最终形成结构均匀、结晶取向一致的高质量超薄薄膜，从原理上解决了薄膜无序生长的行业难题。

本次研究选用的碲（Te）材料，是下一代半导体与光电子产业的核心前沿材料。该材料具备优异的各向异性导电性能，同时拥有极佳的光学调控特性，可广泛应用于光电探测器、发光二极管、红外传感等各类光电器件，在高端算力芯片、微光传感设备领域具备广阔的应用前景，市场应用价值持续攀升。

150℃低温条件下实现单晶同向外延生长

借助全新的扩散导向外延原子层沉积工艺，科研团队成功在150摄氏度的低温环境下，实现了碲薄膜在各类范德华二维材料基底上的单向、均匀、有序外延生长，大幅降低了高端晶态半导体薄膜的制备温度。外延生长是高端半导体制造的核心工艺，指上层薄膜严格贴合下层基底的原子排布规律有序生长。相较于原子杂乱堆叠的薄膜结构，这种规整的结晶形态能够极大优化内部电荷传输效率，减少能量损耗，显著提升半导体器件的运行性能与稳定性。

为验证技术的通用性与普适性，研究团队开展了多组适配性测试，证实该低温工艺可稳定适配二硒化钨（WSe₂）、二硫化钼（MoS₂）、二硒化铼（ReSe₂）以及云母等多款主流范德华基底材料。这一结果证明，该技术并非单一材料专属工艺，具备极强的兼容性，可广泛应用于各类下一代二维半导体材料的加工制备。

为进一步验证技术的落地实用性，研究团队利用新工艺制备的高品质碲薄膜，成功加工制造出功能性晶体管与多款光电器件。其中，晶体管作为调控电路电流通断的核心半导体元器件，是芯片的基础核心单元；配套光电器件则可实现光线探测与光电信号转换。该实操成果充分证明，这项新技术不仅能在实验室实现高精度材料制备，更具备产业化落地能力，可直接用于功能性半导体与光电器件的规模化生产。

徐俊基教授表示：“本研究首次实现了在不损伤基底材料的前提下，于范德华二维材料表面低温制备高质量、取向一致的半导体薄膜。该技术突破了传统工艺的温度与结构限制，我们有望将其打造为核心制造平台，助力多种下一代半导体器件的单芯片集成，为低功耗、高性能新型芯片研发提供全新技术支撑。”