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二维材料于场效晶体管的应用

  • 林育中

当闸极施加电压,底下的半导体变成导体,电流从源极流到汲极,这时处于「开」的状况。电压移去后,晶体管就回复「关」的状况,这是半导体的ABC——控制,电子线路一切都是关于控制。法新社

场效晶体管(Field Effect Transistor;FET)的核心是通道(channel),材料是半导体。它的一边接源极(source),一边接汲极(drain),这两个是场效晶体管中载子(carrier)的来处与去处。通道上有一层绝缘体,之上还有闸极(gate),用来控制晶体管开关。当闸极施加电压,底下的半导体变成导体,电流从源极流到汲极,这时处于「开」的状况。电压移去后,晶体管就回复「关」的状况,这是半导体的ABC——控制,电子线路一切都是关于控制。

制程持续微缩后,通道也变短,载子在闸极没有施加电压时,也会从源极漏到汲极,这便是漏电流,伴随而来的是焦尔效应产生的热。这两个主要的负面效应就叫短通道效应(short-channel effect),从20几nm就开始困扰业界。

到了14nm,业界的晶体管全数改为鳍式晶体管(FINFET),它从平面的制程改成准三维制程,用闸极(当然还有氧化层)将通道的两面或三面包起来,大幅改善漏电流的问题。但是到了数nm,这方法又不灵了,问题重新浮现。当然也有靠几何结构的解决方法,像闸极全环场效晶体管(Gate All Around FET;GAA FET)、多桥通道场效晶体管(Multi Bridge Channel FET;MBCFET)等将通道包得更密实,但也有从材料端下手的。

用二维材料做通道有先天上的优势。三维材料在空间的三个轴上晶格与键理论上都是无限延伸的,这样每一个键都可以从邻近的原子取得足够的电子而呈稳定状态。但若是在某一方向晶格停止了—譬如遇到另一种材料形成界面,界面上的键由于没有原先的原子再键结,就形成了悬空键(dangling bond),这些键悬在那儿不稳定,会散射或陷住电流中的电子,降低传导性质,在通道变得愈薄、愈短时,这效应愈显著。

而二维材料所有的键在二维平面上,与其它层物质是以凡得瓦力吸引,天生没有垂直于平面方向的悬空键,所以二维材料有诸种好的传导性质,譬如它的载子移动率(mobility,当施加一电场后,载子速度与电场的比例常数,单位是cm2/V-s)极高,功耗自然低,开关速度也快。

最早发现的二维材料石墨烯传导性质是半金属,并不是半导体,导电与否无法由外加电压之有无来操控。二维材料于半导体应用的注意力首先放在二硫属化合物(Transition Metal Dichalcogenide;TMD)中的二硫化钼(MoS2),因为它的丰度极高。由于杂质、空缺等因素,它是n型半导体。后来二硒化钨(WSe2)也列入考虑,它是双极(ambipolar)半导体。

以它们做通道的场效晶体管都显示了优良的性质。铜的移动率约为30cm2/V-s,而二硫化钼长于二氧化矽上的单层薄膜移动率至少与铜相若,二硒化钨的更在一个数量级以上。开、关状态的电流比都在107以上,也就是说漏电流不再是一个问题。

世界上的事物没有俱全的,难处呢?通道两侧的接触(contact)很难做,尤其是欧姆式(ohmic,施加的电压和电流呈线性关系)的接触。从开始做二维晶体管原型起,各式各样作接触的方式都被提出,譬如用植入大幅增加载子密度以确保接触有欧姆式行为,最近提出的是用转印的方式。

现在这些原型都显示优异的晶体管性质,说明在元件物理上这是充分可行的,问题在于量产效率以及元件特性是否稳定。如果真是这样的话,我不愁,可以赚钱的东西总是会有人将它做出来、做好的。从过去的经验,半导体产业一定会把已投入的资产榨出最后几滴价值,所以找出方法让制程多走几个节点也是必然的。老定律不死,只是逐渐缓慢而已!

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。