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二維材料於半導體應用的現況及未來

目前適合做場效電晶體(FET)中的通道最佳候選材料有二:一是二硫化鉬(MoS2),一是二硫化鎢(WS2)。法新社

最早發現的二維材料石墨烯(graphene)雖然被多方探索,但在半導體領域的應用注定成空。它的電性近乎半金屬(semimetal),而在電子線路的世界中要是半導體材料才能用電壓控制。隨著二維材料種類的陸續發現,迄今已有1,000餘種,二硫屬過渡金屬化合物(TMD)被認為是最有可能應用於積體電路的材料。

TMD中有部分的材料的確是半導體,其能帶隙適合做場效電晶體(FET)中的通道(channel)。TMD的電子移動性(mobility)高,單層原子薄膜與其上、下層物質之間的作用力為微弱的凡德瓦(Van der Waals)力,沒有未鍵結的懸空鍵(dangling bond),因此電子流經二維結構不會被散射或陷住,電阻較低。

經過一段時間的探索,目前做為通道的最佳候選材料有二:一是二硫化鉬(MoS2),一是二硫化鎢(WS2)。這二者的差異在於開、關狀態的電流大小各有擅長。元件設計一般希望通道的材料在「開」的狀態、在相同的電壓下能驅動較大的電流;在「關」的狀態下,漏電流最小。這樣的材料可以降低能耗,降低製程在微縮過程之中日益顯著的短通道效應(short channel effect)所造成的負面結果。

但是「開」時驅動的電流與「關」時的漏電流在很多的材料中往往是正相關的,有一好沒二好,這就是工程考量常常要面臨的權衡問題。也因為如此,MoS2與WS2在未來的技術節點中有可能在不同的應用中個別成為平面(planar) FET的候選通道材料。

TMD材料於半導體製程現在已可以用成熟的製程設備MOCVD (金屬氧化物化學氣相沈積)來長單層薄膜。惟其熱預算較髙,一般需在800度以上,如果要得到比較好的晶格結構以及較少缺陷甚至要高達950度,所以用MOCVD長TMD薄膜只能用於前段製程。

以TMD材料做FET通道的量產還面臨幾個挑戰。第一個還是TMD材料生長的品質和缺陷問題,畢竟這是單層原子的新結構。第二個是通道與源極與漏極接觸點的電阻。與單層原子對於上下層均無懸空鍵不同,二維結構的邊界有不完整的晶格單元,還要與晶格結構不同的矽結合,不匹配與錯位是必然的,這還需新的工程手段來降低電阻。第三個是缺少有效的模型,這是進入異構整合時代產業普遍面臨的挑戰。由於產業的進展已經不只依賴於矽基製程的微縮,新材料、新機制、新結構遍地開花,EDA公司無力照顧性質迥異的各方面進展,譬如MRAM、矽光子的有效模型及工具也都懸缺甚久。

如果不能以高溫的方式來沈積薄膜,轉貼(transfer)也是一法。像是以液態金屬鎵銦共晶合金(EGaIn)當基盤長MoS2薄膜,然後轉貼到矽上可以獲得大尺度的MoS2高品質薄膜,而解沒有邊界顆粒,電阻會大幅降低。或者於一般長在藍寶石(sapphire)上MoS2再長一層聚苯乙醯,然後利用MoS2的疏水性和聚苯乙醯的親水性,用水將MoS2和聚苯乙醯自藍寶石上揭去(lift-off),移轉至矽晶或彈性基板後再將聚苯乙醯蝕去。像這些工程手段都還只是最近科硏的結果,要變成量產的製程還要費一番手腳。至於如何在奈米紙場效電晶體(nano sheet FET)如此複雜的結構上長TMD薄膜,這是很多硏究機構目前活躍的硏究課題。

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。