Reserch
Automation2019

二維材料於場效電晶體的應用

  • 林育中

當閘極施加電壓,底下的半導體變成導體,電流從源極流到汲極,這時處於「開」的狀況。電壓移去後,電晶體就回復「關」的狀況,這是半導體的ABC——控制,電子線路一切都是關於控制。法新社

場效電晶體(Field Effect Transistor;FET)的核心是通道(channel),材料是半導體。它的一邊接源極(source),一邊接汲極(drain),這兩個是場效電晶體中載子(carrier)的來處與去處。通道上有一層絕緣體,之上還有閘極(gate),用來控制電晶體開關。當閘極施加電壓,底下的半導體變成導體,電流從源極流到汲極,這時處於「開」的狀況。電壓移去後,電晶體就回復「關」的狀況,這是半導體的ABC——控制,電子線路一切都是關於控制。

製程持續微縮後,通道也變短,載子在閘極沒有施加電壓時,也會從源極漏到汲極,這便是漏電流,伴隨而來的是焦爾效應產生的熱。這兩個主要的負面效應就叫短通道效應(short-channel effect),從20幾nm就開始困擾業界。

到了14nm,業界的電晶體全數改為鰭式電晶體(FINFET),它從平面的製程改成準三維製程,用閘極(當然還有氧化層)將通道的兩面或三面包起來,大幅改善漏電流的問題。但是到了數nm,這方法又不靈了,問題重新浮現。當然也有靠幾何結構的解決方法,像閘極全環場效電晶體(Gate All Around FET;GAA FET)、多橋通道場效電晶體(Multi Bridge Channel FET;MBCFET)等將通道包得更密實,但也有從材料端下手的。

用二維材料做通道有先天上的優勢。三維材料在空間的三個軸上晶格與鍵理論上都是無限延伸的,這樣每一個鍵都可以從鄰近的原子取得足夠的電子而呈穩定狀態。但若是在某一方向晶格停止了—譬如遇到另一種材料形成界面,界面上的鍵由於沒有原先的原子再鍵結,就形成了懸空鍵(dangling bond),這些鍵懸在那兒不穩定,會散射或陷住電流中的電子,降低傳導性質,在通道變得愈薄、愈短時,這效應愈顯著。

而二維材料所有的鍵在二維平面上,與其他層物質是以凡得瓦力吸引,天生沒有垂直於平面方向的懸空鍵,所以二維材料有諸種好的傳導性質,譬如它的載子移動率(mobility,當施加一電場後,載子速度與電場的比例常數,單位是cm2/V-s)極高,功耗自然低,開關速度也快。

最早發現的二維材料石墨烯傳導性質是半金屬,並不是半導體,導電與否無法由外加電壓之有無來操控。二維材料於半導體應用的注意力首先放在二硫屬化合物(Transition Metal Dichalcogenide;TMD)中的二硫化鉬(MoS2),因為它的豐度極高。由於雜質、空缺等因素,它是n型半導體。後來二硒化鎢(WSe2)也列入考慮,它是雙極(ambipolar)半導體。

以它們做通道的場效電晶體都顯示了優良的性質。銅的移動率約為30cm2/V-s,而二硫化鉬長於二氧化矽上的單層薄膜移動率至少與銅相若,二硒化鎢的更在一個數量級以上。開、關狀態的電流比都在107以上,也就是說漏電流不再是一個問題。

世界上的事物沒有俱全的,難處呢?通道兩側的接觸(contact)很難做,尤其是歐姆式(ohmic,施加的電壓和電流呈線性關係)的接觸。從開始做二維電晶體原型起,各式各樣作接觸的方式都被提出,譬如用植入大幅增加載子密度以確保接觸有歐姆式行為,最近提出的是用轉印的方式。

現在這些原型都顯示優異的電晶體性質,說明在元件物理上這是充分可行的,問題在於量產效率以及元件特性是否穩定。如果真是這樣的話,我不愁,可以賺錢的東西總是會有人將它做出來、做好的。從過去的經驗,半導體產業一定會把已投入的資產榨出最後幾滴價值,所以找出方法讓製程多走幾個節點也是必然的。老定律不死,只是逐漸緩慢而已!

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。