单块二维晶体，造出完整晶体管

晶体管通常需要多种性质完全不同的材料：用于传导电流的半导体、控制电流的绝缘电介质，以及供电流进出的金属电极。随着半导体器件不断逼近原子尺度，把这些所有组件集成在一起的难度越来越大。

韩国基础科学研究院（IBS）范德华量子固体中心的JO Moon-Ho主任带领的研究团队，展示了一种截然不同的技术方案。研究人员不再分别制备半导体、电介质和电极材料，再将它们组装成器件；而是从一块层状晶体出发，通过化学方式，将选定的原子层与区域转化为功能晶体管所需的各类材料。相关成果发表于《Science》，论文标题为《Modular van der Waals MOSFETs through layer-by-layer chalcogen substitutions》。

逐层硫族元素取代制备模块化二维晶体管示意图 逐层硫族元素取代制备模块化二维晶体管示意图。(1) 原子级薄层二硒化钨（WSe₂）逐层生长；(2) 选择性逐层转化，形成WTe₂电极、WOₓ电介质，保留WSe₂沟道区域；(3) 制备高性能模块化集成器件。

传统硅器件逐步逼近物理缩放极限，原子级薄的二维半导体长期被视作下一代电子器件的潜力材料。然而历经二十多年研究，二维电子器件实用化最大障碍之一，并非半导体本身的性能，而是它和其他组件的集成难题。

晶体管需要高度均匀的栅介质以及低阻电极，但二维半导体表面可附着其他材料的位点很少，难以均匀沉积传统电介质。直接蒸镀金属还可能损伤原子级薄的半导体，或是产生巨大的接触势垒，降低器件性能。机械转移法可以把不同二维材料剥离、定位、堆叠，作为备选方案，但该工艺很难在大面积范围内实现均匀量产，并不适合大规模制造。

这支IBS研究团队直接以晶体本身作为所有电子功能的起始原料。研究选用多层二硒化钨（WSe₂）这种二维半导体。替换钨原子层周边的部分原子，就可以改变它的电学特性。研究团队保留钨原子骨架，只选择性替换周边原子，在不重构整块晶体的前提下，改变局部区域的电子特性。

WSe₂上层先被氧化，形成绝缘氧化钨（WOₓ）。氧化物还可通过气相反应进一步转化为n型半导体二硫化钨（WS₂）或是半金属二碲化钨（WTe₂）。未发生转化的区域，则保留原本WSe₂半导体特性。借助该方法，可在同一块母晶体的不同层、不同位置，直接实现半导体、绝缘、半金属多种功能。

相邻原子层之间微小的间隙，帮助研究人员控制化学反应的扩散范围。通过调节反应温度与气压，可在指定层数后终止转化，对每层WSe₂实现约0.7纳米的精准控制。

JO Moon-Ho主任表示：“二维半导体研究的核心难题，不只是寻找性能更优的半导体材料，还要配套适配的电介质与电极。这项研究结合原子尺度调控的基础材料科学与现代半导体技术，攻克了集成难题。”

其中一项关键验证：直接将WSe₂上层、半导体沟道正上方区域转化为WOₓ。生成的氧化物直接充当栅介质，无需单独沉积高k材料，形成有效厚度小于1纳米的绝缘层，同时保持优异绝缘性能。

基于该结构，研究制备出WSe₂晶体管，栅电压仅变化61.3毫伏，电流便可提升十倍。该数值非常接近室温下约60毫伏每十倍电流的理论极限，代表器件具备极高的开关效率。器件开关电流比超过1000万。转化生成的WTe₂还优化了电极，电荷注入势垒降至直接镀铂电极方案的约三分之一，让载流子更高效地注入半导体。

团队还利用同款WOₓ电介质制备出n型二硫化钼（MoS₂）晶体管，并垂直堆叠p型与n型晶体管，搭建出互补范德华反相器 —— 数字逻辑的基础单元。电压反相功能验证成功，说明这套工艺可以从单个晶体管拓展，用于更高集成度电路。

JO Moon-Ho主任补充道：“这项技术直接把二维晶体的选定区域转化成不同电子功能，有望为超低功耗、超微尺寸、垂直集成半导体器件开辟新路径。”