加速前進的二維電晶體

隨著3nm實施日程的相繼公佈，摩爾定律似乎一步一步的走向盡頭。然而以二維材料為主軸的二維電晶體發展也一日快似一日，這就是俏皮話說的more Moore∼摩爾定律依然在走。

二維電晶體以二維材料當成通道物質只是個起始，二維材料現在用的多是過渡金屬二硫屬化合物（Transition Metal Dichalcogenide；TMD），目前的當紅炸子雞是MoS₂和WSe₂。它們有高電子流動性、高電流開關比，因而將惱人的熱耗散問題控制在可接受的範圍。

但是一個電晶體不是只有通道，還有柵極、氧化層等。當尺度縮小時，這些原本相對簡易的結構也會出現新的問題，這就是電影《Godzilla》預告片中說的“Size does matter”。

傳統上的絕緣體氧化物材料SiO₂、Al₂O₃、HfO₂在小尺寸、數層的條件下，結構是非晶質（amorphous）的，與通道之間的界面性質難以保證。前一陣子嚐試過的hBN(hexagonal Boron Nitride)帶隙不夠寬，介電常數也不夠高，兼之與大多數的二維材料帶隙不匹配，還是會有多餘的漏電流。

最近的進展是用CaF₂當氧化物。CaF₂在半導體產業不算新材料，以前也用在共振穿隧二極體（resonant tunneling diode）中的屏障層（barrier layer）。這種材料天生的絕緣體物理特性不錯：帶隙寬、介電常數高、電子等效質量大、與矽晶格常數接近，鄰近磊晶不會不匹配。

CaF₂用之於二維電晶體還有另外的好處。在特定的晶格面—（111）—CaF₂是以F當終端(terminal)的。這有什麼好處呢？通常三維材料的表面因為化合物比例不完整，有些共價鍵沒有形成完整的電子對，因而有懸空鍵（dangling bond）的產生。懸空鍵會陷住電子，也會散射電子，產生熱耗散。原先在比較大尺度元件時，這個問題不顯著，因為表面只占整個材料的一小部份，電子主要是經過塊材（bulk）流動的。但是當尺度越變越小，三維材料的層數越來越少，材料表面的問題也越來越顯著。其實用二維材料當通道材料的主要原因之一也是因為二維材料沒有懸空鍵。二維材即使有數層—像數層的石墨烯堆成三維石墨，層與層之間都是以凡得瓦力結合，而不是以共價鍵，自然沒有懸空鍵。CaF₂在特定的晶格方向正是以凡得瓦力與二維材料的通道結合。

以MBE先長2nm的CaF₂(大概是6~7層)，然後轉貼(transfer)單層的MoS₂，以此形成的back-gated場效電晶體有極佳的表現：電流開關比高達10⁷，次臨限擺幅(subthreshold swing)可以低至90 mV/dec，可以說這個元件原型已初步符合奈米級元件低漏電流的要求。

小結一下二維電晶體的進展：在材料方面，由於近年來材料科學和奈米技術的發展，即使再遭遇其它問題，解決的速度也會很快。比較大的挑戰會發生在量產技術上，像前述用MBE長CaF₂或著用轉貼的方式長單層MoS₂都不是量產會優先考慮的方法。幸好從現在到3nm的目標與時程都清楚，還有充足的時間，業界該接手了！