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加速前进的二维晶体管

  • 林育中

由于材料科学和纳米技术的发展,二维晶体管目前在材料问题上的解决速度很快。图为利用热敏式微影技术改善晶体管质量。纽约大学

随著3nm实施日程的相继公布,摩尔定律似乎一步一步的走向尽头。然而以二维材料为主轴的二维晶体管发展也一日快似一日,这就是俏皮话说的more Moore?摩尔定律依然在走。

二维晶体管以二维材料当成通道物质只是个起始,二维材料现在用的多是过渡金属二硫属化合物(Transition Metal Dichalcogenide;TMD),目前的当红炸子鸡是MoS2和WSe2。它们有高电子流动性、高电流开关比,因而将恼人的热耗散问题控制在可接受的范围。

但是一个晶体管不是只有通道,还有栅极、氧化层等。当尺度缩小时,这些原本相对简易的结构也会出现新的问题,这就是电影《Godzilla》预告片中说的“Size does matter”。

传统上的绝缘体氧化物材料SiO2、Al2O3、HfO2在小尺寸、数层的条件下,结构是非晶质(amorphous)的,与通道之间的界面性质难以保证。前一阵子尝试过的hBN(hexagonal Boron Nitride)带隙不够宽,介电常数也不够高,兼之与大多数的二维材料带隙不匹配,还是会有多余的漏电流。

最近的进展是用CaF2当氧化物。CaF2在半导体产业不算新材料,以前也用在共振穿隧二极管(resonant tunneling diode)中的屏障层(barrier layer)。这种材料天生的绝缘体物理特性不错:带隙宽、介电常数高、电子等效质量大、与矽晶格常数接近,邻近磊晶不会不匹配。

CaF2用之于二维晶体管还有另外的好处。在特定的晶格面—(111)—CaF2是以F当终端(terminal)的。这有什么好处呢?通常三维材料的表面因为化合物比例不完整,有些共价键没有形成完整的电子对,因而有悬空键(dangling bond)的产生。悬空键会陷住电子,也会散射电子,产生热耗散。原先在比较大尺度元件时,这个问题不显著,因为表面只占整个材料的一小部份,电子主要是经过块材(bulk)流动的。但是当尺度越变越小,三维材料的层数越来越少,材料表面的问题也越来越显著。其实用二维材料当通道材料的主要原因之一也是因为二维材料没有悬空键。二维材即使有数层—像数层的石墨烯堆成三维石墨,层与层之间都是以凡得瓦力结合,而不是以共价键,自然没有悬空键。CaF2在特定的晶格方向正是以凡得瓦力与二维材料的通道结合。

以MBE先长2nm的CaF2(大概是6~7层),然后转贴(transfer)单层的MoS2,以此形成的back-gated场效晶体管有极佳的表现:电流开关比高达107,次临限摆幅(subthreshold swing)可以低至90 mV/dec,可以说这个元件原型已初步符合纳米级元件低漏电流的要求。

小结一下二维晶体管的进展:在材料方面,由于近年来材料科学和纳米技术的发展,即使再遭遇其它问题,解决的速度也会很快。比较大的挑战会发生在量产技术上,像前述用MBE长CaF2或著用转贴的方式长单层MoS2都不是量产会优先考虑的方法。幸好从现在到3nm的目标与时程都清楚,还有充足的时间,业界该接手了!

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。