二维材料于场效晶体管的应用

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，这效应愈显着。

而二维材料所有的键在二维平面上，与其他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！