二维材料在次纳米晶体管的应用

在科技部所楬櫫的《A时代前瞻半导体技术专案计划》，其宗旨在于为下一个时代半导体产业所需的相关技术，由学术界领军做超前部署。下一个时代的半导体技术势必将进入了次纳米等级(Angstrom；埃)，也就是原子的尺度。此专案计划其中一个重点，就是开发二维材料为导电通道层(channel)的晶体管。

二维材料，亦可称为纳米薄片，在自从石墨烯(graphene)以人为的方法制作出来后，因其有绝佳的导电及导热特性，深受产业应用的关注。电子在二维材料中运动，因为少了另一维度运动所造成的碰撞，因此在电场的作用下，可以有较快的移动速度，而提高导电率。但是石墨烯本身属于类金属，缺乏半导体所需的能隙(bandgap)，因此无法使用在晶体管的结构上。

然而材料界的专家并不放弃，在十多年前就开始研究所谓的二硫过渡金属化合物等(TMD，如MoS2、WS2)二维材料，TMD在材料特性上具有能隙，因此可应用在晶体管的制作，当然也有实际晶体管元件的展示。但是我们不禁要问，这些学术界所预计要开发的TMD二维导通层晶体管的计划，是否就有可能为产业界于下一时代次纳米元件所使用？

矽基(Si)晶体管元件，为半导体IC产业的核心，现今最先进的IC都内含了百亿颗的晶体管。换言之，任何一个新进晶体管的创新发展，必须要能够通过百亿颗晶体管整合度的挑战，这包括了良率及可靠度等，也就是现实的世界里须面对一个超高难度的进入障碍，否则就没有太大的意义，因为无法解决产业所面临的问题。

一个晶体管是由三个基本元素所组成，包括材料、制程及元件结构。一颗IC需经历过成千上万道制程的洗礼，因此制程的调整及精进是随时在发生的。元件结构也会因解决特性上的问题，而做必要的创新。比如说在15纳米线宽以下，绝缘层原先在通道层的上方，改为到通道层的上下两侧，到最后变为通道层被绝缘层所全部包覆(GAA)。材料的改变及创新是最困难的，尤其在晶体管最为关键的通道层上，因为这牵一发而动全身，而此TMD二维材料正是要做此一改变。

综观这二十年来在晶体管的核心，所发生在材料上的改变只有两次。一次是进入45纳米线宽时引进了矽锗材料(SiGe)，另一次是在28纳米时引进高介电常数(high-K)绝缘层取代二氧化矽。矽锗材料是为了在通道层附近产生应力，导致通道内的矽材料重合的电洞能带予以分裂，使得电洞移动速度得以增加。高介电常数绝缘层的导入，是为了解决绝缘层太薄时所产生的漏电问题。而这两个材料上的改变。都没有动到导通层的矽材料。

英特尔(Intel)在十多年前，动用了非常多的资源，准备将N型通道的材料改为InGaAs，而将P型通道改为锗(Ge)材料，以改善电子及电洞的导电率。这在学理上虽然是最佳的选择，但在实作上仍是无法解决晶体的缺陷及可靠度问题，而功亏一篑。个人不能断言TMD二维材料无法提供次纳米时代晶体管的解决方案，但是综观历史的演进及客观的事实，这个机会是非常渺茫。

我们非常肯定政府持续推动半导体领域的研发，协助产业界面临下一阶段的挑战。然而产业已经进步到如此的规模，下一个时代的开发必须要慎选研发的题目，因为要走的路一定是又专又精。个人的浅见认为，既然全包覆式晶体管已是一个趋势，未来要更进一步延续摩尔定律，3D堆叠晶体管是最顺水推舟的事了。君不见快闪式存储器(Flash)，已经堆叠到两百层了。此外政府亦可投入资源在矽基半导体其他领域的发展，如3DIC、微机电、矽光子、传感器，甚至于化合物半导体，这些的投入都可以让我们的护国群山持续地壮大。