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二维材料於半导体应用的现况及未来

目前适合做场效晶体管(FET)中的通道最佳候选材料有二:一是二硫化钼(MoS2),一是二硫化钨(WS2)。法新社

最早发现的二维材料石墨烯(graphene)虽然被多方探索,但在半导体领域的应用注定成空。它的电性近乎半金属(semimetal),而在电子线路的世界中要是半导体材料才能用电压控制。随着二维材料种类的陆续发现,迄今已有1,000余种,二硫属过渡金属化合物(TMD)被认为是最有可能应用於集成电路的材料。

TMD中有部分的材料的确是半导体,其能带隙适合做场效晶体管(FET)中的通道(channel)。TMD的电子移动性(mobility)高,单层原子薄膜与其上、下层物质之间的作用力为微弱的凡德瓦(Van der Waals)力,没有未键结的悬空键(dangling bond),因此电子流经二维结构不会被散射或陷住,电阻较低。

经过一段时间的探索,目前做为通道的最佳候选材料有二:一是二硫化钼(MoS2),一是二硫化钨(WS2)。这二者的差异在於开、关状态的电流大小各有擅长。元件设计一般希望通道的材料在「开」的状态、在相同的电压下能驱动较大的电流;在「关」的状态下,漏电流最小。这样的材料可以降低能耗,降低制程在微缩过程之中日益显着的短通道效应(short channel effect)所造成的负面结果。

但是「开」时驱动的电流与「关」时的漏电流在很多的材料中往往是正相关的,有一好没二好,这就是工程考量常常要面临的权衡问题。也因为如此,MoS2与WS2在未来的技术节点中有可能在不同的应用中个别成为平面(planar) FET的候选通道材料。

TMD材料於半导体制程现在已可以用成熟的制程设备MOCVD (金属氧化物化学气相沈积)来长单层薄膜。惟其热预算较髙,一般需在800度以上,如果要得到比较好的晶格结构以及较少缺陷甚至要高达950度,所以用MOCVD长TMD薄膜只能用於前段制程。

以TMD材料做FET通道的量产还面临几个挑战。第一个还是TMD材料生长的品质和缺陷问题,毕竟这是单层原子的新结构。第二个是通道与源极与漏极接触点的电阻。与单层原子对於上下层均无悬空键不同,二维结构的边界有不完整的晶格单元,还要与晶格结构不同的矽结合,不匹配与错位是必然的,这还需新的工程手段来降低电阻。第三个是缺少有效的模型,这是进入异构整合时代产业普遍面临的挑战。由於产业的进展已经不只依赖於矽基制程的微缩,新材料、新机制、新结构遍地开花,EDA公司无力照顾性质迥异的各方面进展,譬如MRAM、矽光子的有效模型及工具也都悬缺甚久。

如果不能以高温的方式来沈积薄膜,转贴(transfer)也是一法。像是以液态金属镓铟共晶合金(EGaIn)当基盘长MoS2薄膜,然後转贴到矽上可以获得大尺度的MoS2高品质薄膜,而解没有边界颗粒,电阻会大幅降低。或者於一般长在蓝宝石(sapphire)上MoS2再长一层聚苯乙醯,然後利用MoS2的疏水性和聚苯乙醯的亲水性,用水将MoS2和聚苯乙醯自蓝宝石上揭去(lift-off),移转至矽晶或弹性基板後再将聚苯乙醯蚀去。像这些工程手段都还只是最近科硏的结果,要变成量产的制程还要费一番手脚。至於如何在纳米纸场效晶体管(nano sheet FET)如此复杂的结构上长TMD薄膜,这是很多硏究机构目前活跃的硏究课题。

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教於中央大学,後转往科技产业发展。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。曾於 Taiwan Semicon 任谘询委员,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。现在於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。