刷新！晶圓級單晶二維半導體轉移集成技術再進步

未來屬于硅基智能……等一下，不要輕易斷言未來。

硅基晶體管也許并非意味著未來的全部。隨著硅基晶體管縮減至幾納米量級，嚴重的“短溝道效應”會導致漏電增加，摩爾定律恐難繼續維持。再說，傳統硅片易碎且無法彎曲，限制了應用場景。

而以單晶二硫化鉬為代表的新一代二維半導體材料正在試圖從實驗室走向應用。它們不僅是頂替硅材料延續摩爾定律的潛力股，更有可能開啟柔性智能、透明顯示和超低功耗計算的新時代。

現在，晶圓級單晶二維二硫化鉬的轉移集成，突破了一個技術瓶頸，從“濕法”進化到“干法”，從“微米級”到“晶圓級”，從“硬質”到“柔軟”。

北京時間2026年4月24日，西湖大學孔瑋團隊在Nature Electronics發文，實現了晶圓級單晶二硫化鉬薄膜在柔性基底上的無損集成。看不懂專業術語？沒關系，且先了解下關鍵詞——“二維半導體材料”“電子皮膚”……是不是滿滿的未來感？

論文地址：

https://www.nature.com/articles/s41928-026-01598-0

柔性襯底上的二硫化鉬場效應晶體管器件

二維材料，你可以理解成只有一層原子厚度。如果說石墨烯是二維材料界的“大哥”，那二硫化鉬就是緊隨其后的“新秀”。它由一層鉬原子和兩層硫原子組成，厚度僅為原子級（約0.6納米）。如果把1米比作地球直徑，1納米就差不多是一顆小彈珠。

這種“薄到不能再薄”的特性賦予了它超凡的柔韌機械性，即使反復彎曲也不會影響其性能。

但更神奇的是二維材料帶來的卓越電學性能。

二硫化鉬是一種天然半導體，這意味著它能像硅一樣，通過控制電流的“開”與“關”來處理信息，成為邏輯計算的單元器件。而邏輯器件組成了我們熟知的各種功能的芯片。

柔性襯底上的二硫化鉬場效應晶體管器件實物圖（左）和示意圖（右）對比

另一方面，隨著摩爾定律逼近極限，傳統硅基晶體管變得越來越小，漏電問題會越來越嚴重。而當二硫化鉬只有原子厚度。這種極薄的特征讓柵極電場能夠進行“全方位無死角”的靜電調控，被認為是半導體2納米工藝節點之后延長摩爾定律的關鍵候選材料。

而孔瑋團隊追求的，不僅是二維，而且是超級有序的二維——單晶二維材料。

本文第一作者徐翔（左）和導師孔瑋教授（右）

單晶二維材料它內部的原子排列如儀仗隊般整齊劃一，沒有“晶界”等缺陷的干擾。相比之下，多晶材料由于內部原子排列混亂，電子穿梭時就像在滿是泥濘和減速帶的路上開車，速度慢且損耗大。

雖然單晶二維材料性能卓越，但是想把它無損地應用到柔性電子領域，卻不容易。

過去的制備方法通常是在藍寶石襯底上，通過化學氣相沉積法（CVD）生長出單晶薄膜。要把這層原子級的薄膜從藍寶石上轉移下來，并精準地集成到塑料等柔性基底上，傳統的方法主要靠“濕法轉移”。

濕法轉移離不開高分子聚合物（如PMMA）等有機溶劑。這些物質會在二硫化鉬表面留下難以根除的殘留，嚴重阻礙電子的流動，導致電子器件性能大幅縮水。同時降低其器件性能的均勻性，使其難以勝任大面積集成電路領域。

氧化物干法（左）和濕法轉移（右）的材料通過原子力顯微鏡對比

“肉眼可見的質量較差。”徐翔說。他是先進固態半導體實驗室博士生。早些年，他在觀察轉移集成后的二維材料樣品時，總覺得很“臟”，發現非常影響電子器件的性能。

面對這些積弊已久的“搬家”難題，研究團隊沒有囿于“化學藥水”方法，而是另辟蹊徑，開發出了一套氧化物干法轉移工藝。其靈感來自導師孔瑋教授團隊過去的科研成果，孔瑋教授曾專注于各類半導體薄膜的外延和集成工作。

團隊研發的方法，更像是給二硫化鉬“貼”了一張 “雙層面膜”，它由兩層精密物質組成。首先是通過電子束“鋪”上一層極薄的三氧化二鋁，接著再用原子層沉積技術（ALD）蓋上另一層三氧化二鋁。

等一下，為什么要“貼”兩層？

這里隱藏著一個研究團隊的“巧思”，他們設想中的三氧化二鋁，既是剝離二硫化鉬的材料，也是半導體器件的一部分。而第一層“面膜”負責和二硫化鉬“牢固貼合”，第二層三氧化二鋁負責提升材料的電學性能——這被稱為一種高介電系數介質層，高介電系數意味著更好的存儲電荷能力。

氧化物干法轉移二硫化鉬流程示意圖

不同于傳統濕法轉移容易留下聚合物殘渣或產生微小裂紋，氧化物干法轉移得到的薄膜表面如鏡面般平整，完全沒有有機物殘留的“斑點”。工藝的提升，帶來了性能的提升，團隊在這個材料的基礎上，構建了4英寸晶圓級高密度柔性晶體管陣列，實現了諸多性能的突破——

超高電流開關比：它的開關電流比達到了驚人的10的12次方。你可以想象一個優秀的“水龍頭”，開通時的流量和關閉時漏水量的比值。這意味著在“關閉”狀態下，它幾乎不漏電，而在“開啟”狀態下，電流通暢無比。

極佳的載流子遷移率：遷移率高達117 cm2/V·s，這在柔性材料中是頂尖水準，確保了電子奔跑的速度 。

超低亞閾值擺幅（SS）：數值低至68.8 mV/dec，已經逼近了物理理論上的極限值（60 mV/dec） 。這意味著只需要很小的電壓變化，就能實現極快的開關切換。

柔性襯底上的二硫化鉬邏輯器件

工藝創新之后，研究團隊緊接著驗證其實際效果。

高性能的個體器件最終要走向復雜的電路集成，研究團隊由此構建了基于單晶二硫化鉬的柔性邏輯反相器陣列。該器件做到了目前已知柔性薄膜電子系統中的最低功耗水平之一，且在實現極低功耗的同時，其增益性能比同類硅基材料，有機材料或碳納米管等器件高出一倍以上。

研究團隊也將這項技術帶入了實際應用場景，研制出一種由10×10陣列構成的活性矩陣觸覺傳感器（AM-TS），并將其像電子皮膚一樣貼合在軟體機器人的抓手上。該系統中每一個觸覺單元都由一個二硫化鉬晶體管和一個碳納米管/聚二甲基硅氧烷（CNT/PDMS）壓阻式傳感器串聯而成，晶體管充當精準的像素開關。

實驗室里，這個藍色的機械手臂正在輕輕夾起一顆螺帽，它能夠“感受”200Pa的細微壓力。這大約是在手指甲蓋上施加2克重量，或者說是你感受清風拂面時的壓強。這何嘗不是一種觸碰未來的感覺？

當機械臂抓起一顆螺帽時的物體壓力感知成像（左），機械臂（右邊）

致謝

本研究第一作者為浙江大學/西湖大學聯合培養博士生徐翔、西湖大學博士后陳奕彤與博士沈繼闖。西湖大學孔瑋教授、朱博文教授為本文通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金和西湖大學光電研究院重點項目支持以及西湖大學未來產業研究中心和西湖教育基金的資助支持。作者感謝西安電子科技大學劉麗香教授對于原子層沉積技術的指導，感謝西湖大學微納加工與測試平臺曹杰、穆希、王云生、王越和邢真真等老師，及物質公共科學平臺楊禎老師和分子科學平臺陳中老師的設備指導支持。

先進固態半導體實驗室

基于過去半個世紀的大量科研投入，硅基半導體材料的物理極限被充分發掘，現代電子器件的進一步發展受限于硅材料的本征性能及其單一功能，對下一代非硅半導體技術的研究是未來電子科技進步的基礎和動力。本實驗室主要從事下一代高性能晶體半導體材料合成、工藝開發以及器件應用研究。致力于開拓超微型多功能集成芯片的新解決方案，并應用于人工智能、人機界面、物聯網等未來場景。

來源｜孔瑋實驗室