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二維材料新發展與高科技材料產業

  • 林育中

半導體大廠仍不斷尋找可以使用的二維材料。法新社

二維材料自石墨烯的發現後,陸陸續續發現了一千餘種。原先的應用重心放在石墨烯上,但是石墨烯沒有帶隙,不能當做半導體。其他的二維材料,特別是過渡金屬二硫屬化合物(TMD),卻開始在半導體及其他應用大放異彩。譬如用MoS2、WSe2等做CMOS的通道材料,有效解決了奈米元件通道漏電和熱耗散問題,使得奈米元件不必借諸3D幾何形狀以及其所需要的複雜製程。其他的應用如用CaF2當成介電物質、WS2(也是TMD)當成光子波導內層防光漏的材料等。

最近這方面的進展加速進行,特別是在半導體製程的持續微縮以及新元件的操作機制應用上。

先是三月台積電和交大擕手在《Nature》發表的在Cu(111)上長的單晶hBN(hexagonal Boron Nitride;六角形氮化硼)。它的長晶難處在於由於hBN有兩種相,而其能量差極為微小,只有0.05eV,近乎簡併態(degenerate state)。相對於在長晶退火時的能量尺度0.1eV這區別太小,因此退火後晶體會呈現不同相的領域(domain)。解決的方法是先在藍寶石上長純粹的Cu(111)晶體,由於Cu在邊界有垂直的邊緣,這個邊緣有偏好的方向性,可以打破簡併態的對稱性,因此利用此邊界可以在Cu(111)上長成單晶的hBN。

單晶的hBN可以置於MoS2與其上高k介電質HfO2之間,減少HfO2邊緣懸空鍵對於在MoS2中流動電子的誘捕和散射。但是有沒有像媒體講得那麼神奇?可能沒有,至少前一陣子才發表的CaF2宣稱較諸hBN,其介電常數為高、漏電流較小、與周圍物質晶格較匹配。奈米材料可以選擇的很多,先用數據庫選好候選材料再做實驗可能最省力。

無獨有偶的,三星最近也在《Nature》發表了非晶相氮化硼(a-BN;amorphous BN),用途是在金屬導線四周的介電質。a-BN的介電常數大、密度高,能減少金屬導線上的銅離子遷移。有趣的是文章中a-BN拿來對照性能的材料是hBN,頗有互別苗頭的意味。至於媒體中說此材料的發現會引導半導體範式的轉變(paradigm shift),這真是誇大其辭了。

更近的是用三層堆疊的WTe2半金屬當成記憶體材料。於WTe2三層上施加垂直電場,中間層會左右滑動,因而會改變這三層WTe2的拓樸性質以及電偶極方向;由於是拓樸性質,不易受周遭擾動,當成非揮發性記憶體材料甚為合適。又由於二維材料層與層之間的作用力是凡得瓦力,層的移動所需能量甚低、速度很快,所以預期是一個寫入速度快、低功耗的永久性記憶體。具體的電性尚未量測,但這已開利用物質拓樸性質表達元件狀態的先河。

近期這些材料應用的發現給了材料硏究的方向和策略一些啟示。這些材料的應用沒有發生在傳統的材料大國德、日等,因為材料的製作不再只是合成,也不是單純的長晶,傳統材料大國的優勢不再。這也不是有Material Genome Initiative這種大型材料數據庫的美、中,當然也沒有很早就建立二維材料硏究中心的新加坡。它發生的場景是精熟操控材料應用的台、韓。

這有點像是AI現在的發展場景:熟悉演算法的雲端公司要下凡落地覺得是滿地荊蕀,原來在現在這個階段domain knowhow重要性勝於AI演算法。這樣說來,我們在高科技材料產業也有個不錯的切入點,而且市場我們也掌握了一大片。

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。