邁向更小型電子開關的 0.7 奈米一步
韓國研究人員在單一薄膜中打造出電晶體的主要元件，方法是置換特定原子；在室溫下，電流控制能力已接近傳統電晶體的理論極限。這項技術適用於厚度約 0.7 奈米的材料層，有望簡化極小型電子裝置的製造。
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這支團隊由趙文浩（Cho Moon-ho）領導，他是基礎科學研究院（IBS）范德華量子固體研究中心主任，也是浦項科技大學（POSTECH）特聘教授。團隊以二硒化鎢為起始材料，將其中的硒原子換成氧、硫或碲，製作出具有絕緣、導電或協助電流進入半導體等功能的區域。
實驗中的電晶體需要改變 61.3 毫伏的閘極電壓，才能讓電流增加 10 倍；室溫下的理論最低值約為 60 毫伏。電晶體導通時的電流則超過關閉時的 1,000 萬倍。
研究人員也以垂直堆疊的電晶體製作出小型電路，在 1 伏特下反轉電訊號。整體而言，研究結果將對個別材料層的精確控制與實際運作的電路連結起來；下一項重大任務則是將技術擴展至半導體製造。
為何這些材料難以組裝
電晶體是一種由電控制的開關。它需要讓電流通過的半導體通道、可讓閘極控制該通道的絕緣層，以及將元件連接到電路其他部分的電極。每個部分的功能都不同，因此要讓各部分的界面運作良好至關重要。
所謂二維半導體，即使只有幾個原子層厚，仍具實用性。然而，它們的表面不容易與其他材料形成化學鍵，因此難以均勻地覆上一層絕緣薄膜。直接接上金屬電極也可能損壞接觸表面，或產生限制電流的電阻。
另一種做法是分別製備薄膜，再移動並堆疊到定位，但這會增加製程步驟。韓國團隊則直接在起始薄膜中製作出數種所需材料，減少了組合不同薄膜的需求。
三種置換原子，各司其職
二硒化鎢的化學式為 WSe2，其結構是鎢原子層夾在上下兩層硒原子之間。研究人員保留鎢原子，只選擇性置換硒原子。周圍原子的改變，會改變各個處理區域的電性。
以氧置換會形成氧化鎢，具有絕緣性；以硫置換會形成二硫化鎢，是 n 型半導體；以碲置換則會形成二碲化鎢，這種導電半金屬用於金屬電極與半導體之間的接點。
- 未經轉換的二硒化鎢提供 p 型半導體區域。
- 氧化鎢提供閘極控制所需的電絕緣。
- 二硫化鎢提供互補元件所需的 n 型半導體。
- 二碲化鎢協助電荷在電極與半導體之間移動。
p 型與 n 型描述的是電荷在半導體中的移動方式。在 n 型材料中，電子負責傳導電流；在 p 型材料中，電流則以電洞的移動來描述。電洞是電子缺失後留下、帶正電的空位。研究團隊展示的互補電路需要這兩種類型。
如何選擇材料層與位置
研究人員透過控制溫度與反應氣體壓力，調整化學變化深入薄膜的程度。他們利用材料層之間的微小間隙作為屏障，限制反應原子的移動，協助避免轉換作用蔓延至下一層。
每一次受控的步驟都對應到約 0.7 奈米厚的原子層。奈米是十億分之一公尺。這個數值指的是被轉換的材料層厚度；此外，製程也必須控制薄膜表面上轉換發生的位置。
半導體製程中的遮罩提供了第二種控制方式。遮罩就像精確圖案化的覆層，能露出指定區域並保護其他區域。將遮罩與反應深度控制結合後，研究人員便能在單一薄膜中，於指定位置與材料層形成不同材料。
降低電流進入處的障礙
二碲化鎢接觸區處理的是另一個不同於電晶體切換的問題：如何讓電荷有效進入半導體。即使通道對閘極的反應良好，只要電氣連接妨礙電荷傳輸，效能仍可能不佳。
研究人員測得電極與半導體接點處的能障為 35.5 毫電子伏特，並指出這約為直接接上金屬電極時能障的三分之一。能障是電荷載子在兩種材料之間移動時必須克服的阻礙。
換算比較，能障降至三分之一，約等於降低 67%。這項測得的改善關乎接點處的電荷傳輸；完整電路的耗電量也取決於工作電壓、漏電流與切換活動。
切換表現接近室溫極限
電晶體的 61.3 毫伏測量值，描述的是閘極電壓改變時，電晶體切換的陡峭程度。工程師稱此為次臨界擺幅：元件進入導通狀態時，讓電流改變 10 倍所需的閘極電壓變化量。
數值越小，代表較小的電壓調整就能帶來大幅電流變化。相較於傳統電晶體在室溫下約 60 毫伏的近似極限，實測值只高出 1.3 毫伏，約比該基準高 2.2%。
導通與關閉狀態的電流比超過 1,000 萬比 1。這項指標顯示元件區分導通與不導通狀態的能力。關閉狀態下的電流越低越重要，因為電流若流經閒置中的電晶體，就會造成能源浪費。
接觸能障、切換反應與電流比，分別描述元件效能中彼此相關的三個面向。接點協助電荷進入，閘極調控電荷通過，而導通與關閉電流的差異則顯示電晶體作為開關的效能。
讓閘極緊密控制通道的絕緣層
氧化鎢區域提供了絕緣層。這層材料必須在電氣上隔開閘極與通道，同時讓閘極電場能控制電流。透過轉換起始材料的一部分來製作絕緣層，可解決在二維半導體上沉積均勻塗層的難題。
團隊表示，其絕緣層符合《國際裝置與系統路線圖》（IRDS）提出的目標，即等效氧化層厚度不超過 1 奈米。等效氧化層厚度通常簡稱 EOT，表示絕緣體的電性表現，換算成具有相同電容的參考二氧化矽層厚度。
因此，EOT 描述的是電性，而不只是材料的實際厚度。研究人員受訪時表示 EOT 低於 1 奈米；已公布的數值描述也包括 0.3 至 0.4 奈米，以及約 1 奈米。這些描述中的確切數值尚未釐清，但都指出該絕緣層符合或達到所述路線圖目標。
以 1 伏特運作的堆疊電路
研究人員不只測試單一電晶體，還將 p 型與 n 型電晶體垂直堆疊，製作互補式反相器。反相器是基本的數位電路：高輸入會產生低輸出，低輸入則會產生高輸出。
這個電路在 1 伏特的工作電壓下反轉訊號。製作電路需要不同類型的半導體協同運作，將材料轉換方法連結到數位電子產品使用的一項基本功能。
垂直結構也與團隊發展三維積體電路的計畫相呼應。若能在整個堆疊結構中掌控材料與製程，將元件一層層垂直排列，就有助於在相同表面積內配置更多電路。
趙文浩是 IBS 研究中心主任及 POSTECH 特聘教授。他談到材料技術與元件製造之間的連結時表示：
這項研究將原子尺度材料操控這項基礎材料科學技術，與現代半導體技術整合起來，
論文發表與邁向更大尺寸晶圓
這篇研究論文題為《透過逐層硫族元素置換製作模組化范德華 MOSFET》。MOSFET 是一大類以絕緣閘極控制、廣泛使用的電晶體。硫族元素是包括氧、硫、硒與碲的化學族群，也是這項置換研究的核心元素。
相關公告與發表日期如下：
- 2026 年 10 月 15 日：據稱韓國科學技術資訊通信部宣布這項模組化電晶體研究。
- 2026 年 10 月 16 日韓國標準時間凌晨 3 時：該部將研究刊登於《科學》（Science）的時間訂於此時。其他說法則將公開公告日期列為 10 月 16 日。
下一階段是將這項方法應用於其他二維半導體，並擴展至晶圓。晶圓是用於同時製造多個半導體元件的大型基板。要投入工業應用，必須能在這些表面上均勻且可重複地置換原子。目前尚未公布導入量產的時程。
團隊追求的實際改變十分明確：直接在原位製作所需材料，而非反覆轉移並接合分開的薄膜。若能擴大規模，這種做法有望降低組裝複雜度，同時保留實驗元件展現的閘極精密控制能力與接點改善效果。
韓國科學技術資訊通信部研發政策室主任金成洙（Kim Seong-su）表示，政府將持續支持基礎與根本研究，讓原創技術能提升韓國產業競爭力。研究人員接下來將聚焦於擴大製程面積、開發更多材料，以及堆疊式積體電路。
重點整理
- 韓國團隊透過選擇性置換二硒化鎢中的硒原子，製作出電晶體的關鍵元件。
- 研究人員以溫度、氣體壓力與遮罩，控制約 0.7 奈米厚材料層中的轉換，以及表面上指定位置的轉換。
- 接觸能障降至 35.5 毫電子伏特，約為直接金屬接觸時數值的三分之一。
- 閘極電壓改變 61.3 毫伏，即可讓電流增加 10 倍，接近室溫下約 60 毫伏的近似極限。
- 導通與關閉狀態的電流比超過 1,000 萬比 1。
- 垂直堆疊的互補式反相器在 1 伏特下反轉訊號。
- 要實現工業應用，下一步必須在半導體晶圓上達成均勻製程。
