刷新！晶圆级单晶二维半导体转移集成技术再进步

未来属于硅基智能……等一下，不要轻易断言未来。

硅基晶体管也许并非意味着未来的全部。随着硅基晶体管缩减至几纳米量级，严重的“短沟道效应”会导致漏电增加，摩尔定律恐难继续维持。再说，传统硅片易碎且无法弯曲，限制了应用场景。

而以单晶二硫化钼为代表的新一代二维半导体材料正在试图从实验室走向应用。它们不仅是顶替硅材料延续摩尔定律的潜力股，更有可能开启柔性智能、透明显示和超低功耗计算的新时代。

现在，晶圆级单晶二维二硫化钼的转移集成，突破了一个技术瓶颈，从“湿法”进化到“干法”，从“微米级”到“晶圆级”，从“硬质”到“柔软”。

北京时间2026年4月24日，西湖大学孔玮团队在Nature Electronics发文，实现了晶圆级单晶二硫化钼薄膜在柔性基底上的无损集成。看不懂专业术语？没关系，且先了解下关键词——“二维半导体材料”“电子皮肤”……是不是满满的未来感？

论文地址：

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

柔性衬底上的二硫化钼场效应晶体管器件

二维材料，你可以理解成只有一层原子厚度。如果说石墨烯是二维材料界的“大哥”，那二硫化钼就是紧随其后的“新秀”。它由一层钼原子和两层硫原子组成，厚度仅为原子级（约0.6纳米）。如果把1米比作地球直径，1纳米就差不多是一颗小弹珠。

这种“薄到不能再薄”的特性赋予了它超凡的柔韧机械性，即使反复弯曲也不会影响其性能。

但更神奇的是二维材料带来的卓越电学性能。

二硫化钼是一种天然半导体，这意味着它能像硅一样，通过控制电流的“开”与“关”来处理信息，成为逻辑计算的单元器件。而逻辑器件组成了我们熟知的各种功能的芯片。

柔性衬底上的二硫化钼场效应晶体管器件实物图（左）和示意图（右）对比

另一方面，随着摩尔定律逼近极限，传统硅基晶体管变得越来越小，漏电问题会越来越严重。而当二硫化钼只有原子厚度。这种极薄的特征让栅极电场能够进行“全方位无死角”的静电调控，被认为是半导体2纳米工艺节点之后延长摩尔定律的关键候选材料。

而孔玮团队追求的，不仅是二维，而且是超级有序的二维——单晶二维材料。

本文第一作者徐翔（左）和导师孔玮教授（右）

单晶二维材料它内部的原子排列如仪仗队般整齐划一，没有“晶界”等缺陷的干扰。相比之下，多晶材料由于内部原子排列混乱，电子穿梭时就像在满是泥泞和减速带的路上开车，速度慢且损耗大。

虽然单晶二维材料性能卓越，但是想把它无损地应用到柔性电子领域，却不容易。

过去的制备方法通常是在蓝宝石衬底上，通过化学气相沉积法（CVD）生长出单晶薄膜。要把这层原子级的薄膜从蓝宝石上转移下来，并精准地集成到塑料等柔性基底上，传统的方法主要靠“湿法转移”。

湿法转移离不开高分子聚合物（如PMMA）等有机溶剂。这些物质会在二硫化钼表面留下难以根除的残留，严重阻碍电子的流动，导致电子器件性能大幅缩水。同时降低其器件性能的均匀性，使其难以胜任大面积集成电路领域。

氧化物干法（左）和湿法转移（右）的材料通过原子力显微镜对比

“肉眼可见的质量较差。”徐翔说。他是先进固态半导体实验室博士生。早些年，他在观察转移集成后的二维材料样品时，总觉得很“脏”，发现非常影响电子器件的性能。

面对这些积弊已久的“搬家”难题，研究团队没有囿于“化学药水”方法，而是另辟蹊径，开发出了一套氧化物干法转移工艺。其灵感来自导师孔玮教授团队过去的科研成果，孔玮教授曾专注于各类半导体薄膜的外延和集成工作。

团队研发的方法，更像是给二硫化钼“贴”了一张 “双层面膜”，它由两层精密物质组成。首先是通过电子束“铺”上一层极薄的三氧化二铝，接着再用原子层沉积技术（ALD）盖上另一层三氧化二铝。

等一下，为什么要“贴”两层？

这里隐藏着一个研究团队的“巧思”，他们设想中的三氧化二铝，既是剥离二硫化钼的材料，也是半导体器件的一部分。而第一层“面膜”负责和二硫化钼“牢固贴合”，第二层三氧化二铝负责提升材料的电学性能——这被称为一种高介电系数介质层，高介电系数意味着更好的存储电荷能力。

氧化物干法转移二硫化钼流程示意图

不同于传统湿法转移容易留下聚合物残渣或产生微小裂纹，氧化物干法转移得到的薄膜表面如镜面般平整，完全没有有机物残留的“斑点”。工艺的提升，带来了性能的提升，团队在这个材料的基础上，构建了4英寸晶圆级高密度柔性晶体管阵列，实现了诸多性能的突破——

超高电流开关比：它的开关电流比达到了惊人的10的12次方。你可以想象一个优秀的“水龙头”，开通时的流量和关闭时漏水量的比值。这意味着在“关闭”状态下，它几乎不漏电，而在“开启”状态下，电流通畅无比。

极佳的载流子迁移率：迁移率高达117 cm2/V·s，这在柔性材料中是顶尖水准，确保了电子奔跑的速度 。

超低亚阈值摆幅（SS）：数值低至68.8 mV/dec，已经逼近了物理理论上的极限值（60 mV/dec） 。这意味着只需要很小的电压变化，就能实现极快的开关切换。

柔性衬底上的二硫化钼逻辑器件

工艺创新之后，研究团队紧接着验证其实际效果。

高性能的个体器件最终要走向复杂的电路集成，研究团队由此构建了基于单晶二硫化钼的柔性逻辑反相器阵列。该器件做到了目前已知柔性薄膜电子系统中的最低功耗水平之一，且在实现极低功耗的同时，其增益性能比同类硅基材料，有机材料或碳纳米管等器件高出一倍以上。

研究团队也将这项技术带入了实际应用场景，研制出一种由10×10阵列构成的活性矩阵触觉传感器（AM-TS），并将其像电子皮肤一样贴合在软体机器人的抓手上。该系统中每一个触觉单元都由一个二硫化钼晶体管和一个碳纳米管/聚二甲基硅氧烷（CNT/PDMS）压阻式传感器串联而成，晶体管充当精准的像素开关。

实验室里，这个蓝色的机械手臂正在轻轻夹起一颗螺帽，它能够“感受”200Pa的细微压力。这大约是在手指甲盖上施加2克重量，或者说是你感受清风拂面时的压强。这何尝不是一种触碰未来的感觉？

当机械臂抓起一颗螺帽时的物体压力感知成像（左），机械臂（右边）

致谢

本研究第一作者为浙江大学/西湖大学联合培养博士生徐翔、西湖大学博士后陈奕彤与博士沈继闯。西湖大学孔玮教授、朱博文教授为本文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和西湖大学光电研究院重点项目支持以及西湖大学未来产业研究中心和西湖教育基金的资助支持。作者感谢西安电子科技大学刘丽香教授对于原子层沉积技术的指导，感谢西湖大学微纳加工与测试平台曹杰、穆希、王云生、王越和邢真真等老师，及物质公共科学平台杨祯老师和分子科学平台陈中老师的设备指导支持。

先进固态半导体实验室

基于过去半个世纪的大量科研投入，硅基半导体材料的物理极限被充分发掘，现代电子器件的进一步发展受限于硅材料的本征性能及其单一功能，对下一代非硅半导体技术的研究是未来电子科技进步的基础和动力。本实验室主要从事下一代高性能晶体半导体材料合成、工艺开发以及器件应用研究。致力于开拓超微型多功能集成芯片的新解决方案，并应用于人工智能、人机界面、物联网等未来场景。

来源｜孔玮实验室