核心要點：

向2D材料中摻入氧元素可改善其附著性能；

后溝道工藝可保留全環繞柵極的大部分傳統工藝流程；

采用石墨烯電極的二硫化鉬雙柵極場效應晶體管，成功應用了層轉移技術。

自機械剝離薄片成為主流技術以來，過渡金屬二硫族化合物（TMDs）的研發已取得長足進步，但未來仍有漫長的探索之路。

二硒化鎢、二硫化鉬這類材料，被視為大尺寸微縮全環繞柵極（GAA）晶體管中硅材料的潛在替代者。作為二維材料，它們不存在面外懸空鍵，因此不易出現界面散射問題 —— 而該問題正是導致超薄硅溝道中載流子遷移率下降的主要原因。

不過，這類二維材料也帶來了諸多棘手的技術挑戰。由于其表面無成鍵位點，與相鄰層之間通常僅依靠作用力較弱的范德華力結合，不僅附著性較差，電極處的能壘也相對較高。要將過渡金屬二硫族化合物成功集成至芯片制造流程，大概率需要對傳統的 CMOS 工藝進行大幅改造。

硅基襯底直接生長技術

過渡金屬二硫族化合物集成應用的首要且最緊迫的問題，便是材料制備。目前，在藍寶石等襯底上生長這類材料的技術已相對成熟，許多關于過渡金屬二硫族化合物晶體管的研究，都會將制備好的薄膜轉移至硅片上進行后續加工。但層轉移技術的規模化應用難度較大，半導體代工廠更傾向于在最終襯底上直接生長材料，從而規避薄膜轉移帶來的復雜操作、污染風險以及較高的成本。

遺憾的是，過渡金屬二硫族化合物的化學氣相沉積工藝往往需要 600℃以上的高溫，這會對底層的介質表面造成損傷；且這類材料在后續加工中，也易受到等離子體的破壞。同時，熱膨脹系數的不匹配性，會進一步削弱本就不佳的附著性能，最終導致沉積的薄膜發生分層。

研究人員正通過多種方式解決上述問題。在去年 12 月的國際電子器件會議（IEDM）上，三星的柳輝濟團隊公布了一項研究成果：他們在二硫化鉬溝道表面沉積了一層超薄鈍化氧化物。該團隊表示，這層氧化物既能保護二維材料及其界面免受損傷和污染，同時足夠薄的氧化層具有氧滲透性。通過向過渡金屬二硫族化合物中摻入氧元素，三星團隊實現了溝道區域邊緣的選擇性氧化，氧化區域與襯底、溝道之間形成的強化學鍵，有效防止了薄膜分層。該團隊還研發出一種選擇性生長技術，大幅降低了二硫化鉬生長所需的時間和熱預算。

法國原子能委員會 - 里昂電子與信息技術研究所（CEA-Leti）與英特爾的西爾萬?巴羅團隊，則采用了 “后溝道” 集成方案，該方案可保留硅基全環繞柵極晶體管的大部分傳統工藝流程。研究人員先制備出硅 / 硅鍺多層堆疊結構，完成器件加工直至替換金屬柵極和自對準電極刻蝕步驟；隨后按照傳統全環繞柵極工藝的流程，移除原有溝道，通過原子層沉積（ALD）技術，在 n 型場效應晶體管中填充二硫化鉬、在 p 型場效應晶體管中填充二硒化鎢，最后再制備柵極介質層。

圖 1：硅溝道移除后，在橫向空腔內沉積的二硫化鉬薄膜來源：國際電子器件會議（IEDM）

電極制備技術突破

半導體溝道制備完成后，與金屬電極、周邊介質層的界面接觸，成為影響器件性能的又一關鍵因素。由于溝道僅有一到兩個單原子層厚，任何表面損傷和污染都可能對器件造成致命影響。

比利時微電子研究中心（imec）的昆汀?斯梅茨團隊，在沉積過渡金屬二硫族化合物后，先制備氧化鋁層，再沉積二氧化鉿介質層。其中氧化鋁層不僅能保護二硫化鉬溝道，還能作為二氧化鉿沉積的附著層和籽晶層。研究人員通過等離子體增強化學氣相沉積（PECVD），在 400℃條件下沉積二氧化硅覆蓋層，該過程可使二氧化鉿發生部分晶化，而氧化鋁層則不受影響，因此氧化鋁層的刻蝕速率會顯著提升。這一選擇性刻蝕技術，為多個工藝步驟提供了實現可能，包括電極的凹槽刻蝕、頂柵的氧化物替換工藝，以及從柵極堆疊結構中移除氧化鋁層。

臺積電的洪泰倫團隊指出，目前 p 型金屬氧化物半導體（PMOS）過渡金屬二硫族化合物器件的電極，其實際性能與理想特性之間仍存在巨大差距。高功函數金屬雖能幫助降低接觸電阻，但替位摻雜技術能提供更穩定、靈活的解決方案。該團隊發現，鈀 / 二硒化鎢電極的界面處存在大量硒空位，而磷摻雜劑可填補這些空位，從而優化電極性能。

互補邏輯與異質互補場效應晶體管

盡管襯底直接生長的器件設計技術不斷取得進展，但互補邏輯電路的制備，同時需要 n 型和 p 型溝道材料。目前，二硒化鎢是主流的 p 型過渡金屬二硫族化合物半導體，而二硫化鉬則是主流的 n 型材料，通過直接生長技術將兩種材料制備在同一硅片上，仍是一大技術難題。

復旦大學的周鵬團隊則徹底規避了這一問題：他們以藍寶石為襯底，采用鋁柵極和金柵極的二硫化鉬晶體管，同時制備出增強型和耗盡型器件，并成功研制出一款功能性微處理器 —— 該處理器集成了近 6000 個晶體管和四層金屬布線。

多個研究團隊正探索將層轉移技術應用于異質垂直互補場效應晶體管（CFET）結構。周鵬團隊除了開展二硫化鉬直接生長的相關研究，還通過層轉移技術，將 n 型二硫化鉬晶體管堆疊在 p 型絕緣體上硅（SOI）器件之上，制備出的互補場效應晶體管反相器，在增益和功耗方面的表現均優于純硅基和純二維材料的互補場效應晶體管反相器。

普渡大學的蔡軍團隊則致力于降低源極 / 漏極重疊區域的寄生電容。在硅基器件中，該問題通常通過摻雜來降低源極 / 漏極延伸區的電阻解決；而蔡軍團隊另辟蹊徑，將化學氣相沉積制備的石墨烯轉移至預制的二氧化鉿層上，通過等離子體刻蝕形成電極延伸區，再將化學氣相沉積制備的二硫化鉬單原子層轉移并圖案化，最終形成溝道區域。

圖 2：采用石墨烯電極延伸區的二硫化鉬雙柵極場效應晶體管（示意圖及偽彩色掃描電鏡圖像）來源：國際電子器件會議（IEDM）

力學、熱學特性與未來發展

隨著研究人員開始制備接近量產結構的器件，對其力學和熱學特性的評估也成為可能。臺積電的洪泰倫指出，過渡金屬二硫族化合物作為體相材料時力學性能優異，但當厚度僅為單原子層時，即便是高強度材料，也需要額外的支撐結構。研究團隊的實驗結果也印證了這一點：二硫化鉬的雙原子層和三原子層結構，其力學韌性顯著優于單原子層結構。

斯坦福大學的宋永洙團隊則提出，散熱問題同樣亟待解決。過渡金屬二硫族化合物的面外熱導率極差，而二氧化鉿也屬于熱的不良導體，器件產生的熱量幾乎只能通過金屬電極和電路的其他布線進行傳導。模擬實驗顯示，環繞式電極的散熱性能優于邊緣電極，但即便采用環繞式電極，過渡金屬二硫族化合物器件的溫升仍是同類硅基器件的三倍。研究人員發現，向多層過渡金屬二硫族化合物電極中嵌入鋰元素后，散熱性能得到明顯改善，溫升僅為硅溝道器件的 1.5 倍。

二維半導體最初只是實驗室中的研究趣聞，如今已發展到被正式視為硅材料潛在替代者的階段，但要真正實現量產應用，仍有諸多核心問題需要解決。硅基互補場效應晶體管的研發同樣面臨巨大挑戰，而二維半導體則帶來了全新的材料體系、工藝技術，以及更多未知的探索方向。