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二维材料新发展与高科技材料产业

  • 林育中

半导体大厂仍不断寻找可以使用的二维材料。法新社

二维材料自石墨烯的发现后,陆陆续续发现了一千余种。原先的应用重心放在石墨烯上,但是石墨烯没有带隙,不能当做半导体。其它的二维材料,特别是过渡金属二硫属化合物(TMD),却开始在半导体及其它应用大放异彩。譬如用MoS2、WSe2等做CMOS的通道材料,有效解决了纳米元件通道漏电和热耗散问题,使得纳米元件不必借诸3D几何形状以及其所需要的复杂制程。其它的应用如用CaF2当成介电物质、WS2(也是TMD)当成光子波导内层防光漏的材料等。

最近这方面的进展加速进行,特别是在半导体制程的持续微缩以及新元件的操作机制应用上。

先是三月台积电和交大擕手在《Nature》发表的在Cu(111)上长的单晶hBN(hexagonal Boron Nitride;六角形氮化硼)。它的长晶难处在于由于hBN有两种相,而其能量差极为微小,只有0.05eV,近乎简并态(degenerate state)。相对于在长晶退火时的能量尺度0.1eV这区别太小,因此退火后晶体会呈现不同相的领域(domain)。解决的方法是先在蓝宝石上长纯粹的Cu(111)晶体,由于Cu在边界有垂直的边缘,这个边缘有偏好的方向性,可以打破简并态的对称性,因此利用此边界可以在Cu(111)上长成单晶的hBN。

单晶的hBN可以置于MoS2与其上高k介电质HfO2之间,减少HfO2边缘悬空键对于在MoS2中流动电子的诱捕和散射。但是有没有像媒体讲得那么神奇?可能没有,至少前一阵子才发表的CaF2宣称较诸hBN,其介电常数为高、漏电流较小、与周围物质晶格较匹配。纳米材料可以选择的很多,先用数据库选好候选材料再做实验可能最省力。

无独有偶的,三星最近也在《Nature》发表了非晶相氮化硼(a-BN;amorphous BN),用途是在金属导线四周的介电质。a-BN的介电常数大、密度高,能减少金属导在线的铜离子迁移。有趣的是文章中a-BN拿来对照性能的材料是hBN,颇有互别苗头的意味。至于媒体中说此材料的发现会引导半导体范式的转变(paradigm shift),这真是夸大其辞了。

更近的是用三层堆叠的WTe2半金属当成存储器材料。于WTe2三层上施加垂直电场,中间层会左右滑动,因而会改变这三层WTe2的拓朴性质以及电偶极方向;由于是拓朴性质,不易受周遭扰动,当成非挥发性存储器材料甚为合适。又由于二维材料层与层之间的作用力是凡得瓦力,层的移动所需能量甚低、速度很快,所以预期是一个写入速度快、低功耗的永久性存储器。具体的电性尚未量测,但这已开利用物质拓朴性质表达元件状态的先河。

近期这些材料应用的发现给了材料硏究的方向和策略一些启示。这些材料的应用没有发生在传统的材料大国德、日等,因为材料的制作不再只是合成,也不是单纯的长晶,传统材料大国的优势不再。这也不是有Material Genome Initiative这种大型材料数据库的美、中,当然也没有很早就建立二维材料硏究中心的新加坡。它发生的场景是精熟操控材料应用的台、韩。

这有点象是AI现在的发展场景:熟悉算法的云端公司要下凡落地觉得是满地荆蕀,原来在现在这个阶段domain knowhow重要性胜于AI算法。这样说来,我们在高科技材料产业也有个不错的切入点,而且市场我们也掌握了一大片。

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。