二维材料于半导体应用的现况及未来

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于集成电路的材料。

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)。这二者的差异在于开、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材料于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薄膜只能用于前段制程。

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。与单层原子对于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。由于产业的进展已经不只依赖于矽基制程的微缩，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，然后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。或者于一般长在蓝宝石(sapphire)上MoS2再长一层聚苯乙醯，然后利用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后再将聚苯乙醯蚀去。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。至于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。