迈向更小电子开关的0.7纳米一步
韩国研究人员通过替换特定原子，在单层薄膜内制成晶体管的主要组件，使其在室温下实现了接近传统晶体管理论极限的电流控制。这项技术适用于厚度约为0.7纳米的薄层，有望简化超小型电子器件的制造。
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这支团队由赵文浩（音译）带领。他是基础科学研究院范德华量子固体研究中心主任，也是浦项科技大学杰出教授。团队以二硒化钨为起始材料，将其中的硒原子替换为氧、硫或碲，从而制成具有绝缘、导电或帮助电流进入半导体等功能的区域。
制成的晶体管只需将栅极电压改变61.3毫伏，电流就能增大10倍；相比之下，室温下的理论最低值约为60毫伏。晶体管开启时的电流超过关闭时的1000万倍。
研究人员还用垂直堆叠的晶体管搭建了一个小型电路，并在1伏电压下实现电信号反转。这些成果将对单个材料层的精确控制与可运行电路联系起来，而将这一技术扩展到半导体制造领域仍是下一项重大任务。
为何这些材料难以组装
晶体管是一种由电信号控制的开关。它需要半导体沟道供电流通过，需要绝缘层让栅极能够控制该沟道，还需要电极将器件连接到电路的其他部分。每个部分承担不同功能，因此必须确保它们的界面性能良好。
即使只有几层原子厚，被称为二维材料的半导体仍能发挥作用。不过，它们的表面不容易与其他材料形成化学键，因此难以均匀覆盖绝缘薄膜。直接连接金属电极也可能损坏接触表面，或产生限制电流的电阻。
将单独制备的薄膜移到指定位置并堆叠起来，是另一种实现途径，但会增加制造步骤。韩国团队改为在起始薄膜内部制成几种所需材料，减少了将不同薄膜拼合在一起的需求。
三种替换原子，三种不同功能
二硒化钨的化学式为WSe2，其结构是在一层钨原子的上下两侧分别排列硒原子。研究人员保留钨原子，仅选择性地替换硒原子。周围原子的变化改变了各处理区域的电学特性。
氧形成氧化钨，起绝缘作用；硫形成二硫化钨，是一种n型半导体；碲形成二碲化钨，这是一种导电半金属，用于金属电极与半导体之间的连接处。
- 未经转化的二硒化钨构成p型半导体区域。
- 氧化钨提供电绝缘，用于栅极控制。
- 二硫化钨提供互补器件所需的n型半导体。
- 二碲化钨帮助电荷在电极与半导体之间移动。
p型和n型描述的是电荷在半导体中的传输方式。在n型材料中，电子携带电流；在p型材料中，电流通常以空穴的移动来描述。空穴是电子缺失后留下的带正电空位。团队展示的互补电路需要这两种类型的半导体。
团队如何选择层和位置
研究人员通过控制温度和反应气体压力，调节化学变化深入薄膜的程度。他们利用材料层之间的微小间隙作为屏障，限制反应原子的移动，帮助阻止转化扩散到相邻层。
每个受控步骤对应一个厚约0.7纳米的原子层。1纳米等于十亿分之一米。这个数字描述的是发生转化的材料层厚度；这种制造方法还需要控制薄膜表面上转化发生的位置。
半导体加工掩模提供了第二种控制方式。掩模如同经过精确图案化的覆盖层，可露出选定区域，同时保护其他区域。将掩模与反应深度控制结合起来，研究人员便能在单层薄膜内的指定位置和层次形成不同材料。
降低电流进入时的势垒
二碲化钨接触区解决的是另一个问题：如何让电荷高效进入半导体，而不是如何切换晶体管。即使沟道对栅极的响应良好，如果电气连接阻碍电荷转移，器件的性能仍可能不佳。
研究人员测得，电极与半导体连接处的能量势垒为35.5毫电子伏。他们表示，这约为直接连接金属电极时势垒的三分之一。能量势垒是电荷载流子在材料之间穿越时必须克服的阻碍。
换算来看，势垒降至三分之一，相当于降低了约67%。这一测量结果反映的是接触处电荷转移的改善。整个电路的功耗还取决于工作电压、漏电流和开关活动。
开关性能接近室温极限
晶体管的61.3毫伏测量值描述了栅极电压变化时开关状态改变的陡峭程度。工程师将其称为亚阈值摆幅：器件转入导通状态时，电流改变10倍所需的栅极电压变化量。
数值越小，表示较小的电压调整就能引起较大的电流变化。传统晶体管在室温下的近似极限为60毫伏。实测值仅高出1.3毫伏，约高于这一基准2.2%。
晶体管开启和关闭时的电流比超过1000万比1。这反映了器件区分导通和非导通状态的能力。关闭状态下的电流越低越重要，因为闲置晶体管中的漏电会浪费能源。
接触势垒、开关响应和电流比反映了器件性能中彼此相关的三个方面。接触区帮助电荷进入，栅极调节电荷通过，而开启与关闭电流的差异则表明晶体管作为开关的效能。
让栅极近距离控制的绝缘层
氧化钨区域构成了绝缘层。该层必须在电气上将栅极与沟道隔开，同时允许栅极电场控制电流。通过转化起始材料的一部分来制成绝缘层，有助于解决在二维半导体上沉积均匀涂层的难题。
团队表示，其绝缘性能达到国际器件与系统路线图的目标，即等效氧化层厚度不超过1纳米。等效氧化层厚度通常简称EOT，是指与绝缘体电容相同的参考二氧化硅层厚度，用来衡量绝缘体的电学性能。
因此，EOT描述的是电学特性，而不只是材料的物理厚度。研究人员被引述称EOT低于1纳米；已发表的数值描述还包括0.3至0.4纳米，以及约1纳米。这些描述中的确切数值尚未厘清，但都将该绝缘层置于或控制在上述路线图目标范围内。
在1伏电压下运行的堆叠电路
研究人员没有止步于单个晶体管测试，而是将一个p型晶体管和一个n型晶体管垂直堆叠，制成互补反相器。反相器是一种基本数字电路：输入高电平时输出低电平，输入低电平时输出高电平。
该电路在1伏工作电压下实现了信号反转。搭建电路需要不同类型的半导体协同工作，这也将材料转化方法与数字电子设备中的一种基本功能联系起来。
垂直结构也与团队发展三维集成电路的计划相契合。将器件上下排列，有望在相同表面积内集成更多电路，但前提是在整个堆叠结构中都能控制材料和加工过程。
基础科学研究院中心主任、浦项科技大学杰出教授赵文浩谈到了材料技术与器件制造之间的联系：
这项研究将原子尺度材料操控这一基础材料科学技术与现代半导体技术结合起来，
论文发表及向大尺寸晶圆推进
这篇研究论文题为《通过逐层硫属元素替换制备模块化范德华MOSFET》。MOSFET是由绝缘栅极控制的一类广泛使用的晶体管的名称。硫属元素是一个化学元素族，包括氧、硫、硒和碲，正是本研究替换操作涉及的元素。
相关公告和论文发表日期如下：
- 2026年10月15日：据称，韩国科学技术信息通信部宣布了模块化晶体管研究成果。
- 2026年10月16日，韩国标准时间凌晨3时：该部门将《科学》期刊的发表时间定于这一时刻。其他说法则将公开宣布的日期定为10月16日。
下一阶段是将该方法应用于其他二维半导体，并扩展到晶圆上。晶圆是用于同时制造大量半导体器件的大面积基板。要实现工业应用，必须能在这些表面上均匀、可重复地替换原子。目前尚未公布投入制造的时间表。
团队寻求的实际改进很明确：在原位制成所需材料，而不是反复转移并拼接独立薄膜。如果能扩大规模，这或许可以降低组装复杂度，同时保留实验器件所展现的栅极精确控制和接触性能提升。
韩国科学技术信息通信部研发政策局局长金成洙表示，政府将继续支持基础和前沿研究，让原创技术为韩国的产业竞争力作出贡献。研究人员下一步将聚焦于扩大加工面积、开发更多材料以及堆叠式集成电路。
要点
- 韩国团队通过选择性替换二硒化钨中的硒原子，制成了晶体管的关键组件。
- 研究人员利用温度、气体压力和掩模，在厚约0.7纳米的层内以及表面指定位置控制材料转化。
- 接触处的能量势垒降至35.5毫电子伏，约为直接金属接触时的三分之一。
- 栅极电压改变61.3毫伏即可使电流增大10倍，接近室温下约60毫伏的极限。
- 开启和关闭状态之间的电流比超过1000万比1。
- 垂直堆叠的互补反相器在1伏电压下实现了信号反转。
- 要实现工业应用，下一步需要在半导体晶圆上进行均匀加工。
