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拓樸材料於半導體的應用

  • 林育中
拓樸是指空間內在連續的變化下(如拉伸或彎曲)維持不變的性質。莫比烏斯帶為拓撲學結構典型範例之一。David Benbennick

材料科學的進展對於此時的半導體產業是及時雨,而且從科學變成技術的速度也令人嘆為觀止。前幾年還在《Nature》、《Science》這些頂級科學期刊當成科學新發現的議題,有很多已經至少被展示在奈米級元件的應用。譬如二維材料中的過渡金屬二硫屬化合物(Transition Metal Dichalcogenide;TMD)半導體,由於其二維維度及材料特性—高電子流動性(mobility)、低漏電流(leakage current)、高可撓性(flexibility)等性質,已被用於nm等級3D電晶級的開發,用做通道(channel)材料。許多伴隨二維材料的技術及設備也正在同步開發,常被提到的材料有二硫化鉬(MoS2)及二硒化鎢(WSe2)。

除了二維材料外,另一個目前研究的熱門題目是拓樸材料(topological materials),要解釋拓樸的概念總是令人頭疼。拓樸是指空間內在連續的變化下(如拉伸或彎曲,但不包括撕開、剌孔或粘合)下維持不變的性質。譬如一個二維球面(放在三維來看)不管被拉扯扭曲,它總是有隔離的內部空間和外部空間,但是剌一個小洞後,內外的空間就連通了,而這剌破的球在拓樸上等同於一張紙(一個平面)。

講拓樸物質要更抽象。如果在真實空間中物質要體現不同的拓樸性質,在應用上近乎不可行。怎麼能想像在矽晶片上長球面、甜甜圈等具有各式拓樸性質、奇形怪狀的物質?其實拓樸物質的「拓樸」二字是指材料系統的相空間(phase space)-特別是動量空間。這是凝態物理描述物性的典型工具,相空間的拓樸性質會反應在材料的傳導特性上,特別是電子和自旋的傳導。而且這些特性因為是拓樸性質帶來的,特別壯實(robust),術語叫topologically protected。

前幾年發現的拓樸絕緣體(topological insulator)就是拓樸材料的一種。它在塊材(bulk)中是絕緣體,但是在材料表面、邊界上它是導體,而且電子的自旋方向落於材料表面上而與電子運動方向垂直。也就是說,這邊界上的電流還攜帶自旋流(spin current)。這與一般的電流不同—一般電流的自旋方向因為散射、熱擾動等因素,自旋的方向是隨意的,平均的自旋流為0。

既有自旋流,就有自旋電子學(spintronics)的應用。目前呼聲最高的是將三硒化二鉍(bismuth selenide;Bi2Se3),它現在被使用於第四代MRAM—SOT(Spin-Obit Torque) MRAM上。現在第三代STT(Spin Torque Transfer) MRAM主要是用自旋被極化過的電流來翻轉自由層(free layer)的磁矩方向,改變MRAM中記錄的0與1。但是因為電子很輕,翻轉磁矩的力道比較沒效率,需要比較大的電流,因而需要比較大的CMOS(目前MRAM單元面積的瓶頸)來提供較大電流,單元面積大、讀寫速度慢、功耗高。用Bi2Se3上電流所攜帶自旋流SOT的效力比STT大約大20倍,如此上述STT的缺點都可以大幅改善,譬如寫入速度可以從目前的10 ns進入次ns速度,與邏輯電晶體的速度競爭,單元面積可以從目前50f2下降到記憶體理想值4f2

另一個拓樸材料的應用剛剛出爐。有種拓樸材料叫Weyl半金屬,它的電子等效質量(effective mass)為0,所以電子的流動性極高。它也是TMD,其實二碲化鎢(tungsten ditelluride;WTe2)與上述做為通道材料的WSe2結構類似,只是WSe2是半導體,WTe2是半金屬,但是後者有是拓樸物質,還會在不同的應變下產生不同的相。目前發現是以太赫茲(terahertz)頻率等級的雷射照射材料,可以瞬間改變材料的相。而這些不同的相有不同的能帶—不同的傳導性質,因此狀態可以被讀取—可以是0或1,或者是開或關。想像一下一個電晶體或記憶體可以用比現在最快的電晶體還要快兩個數量的速度來操作,如果可行的話,這是何等革命性的變化?

新材料的引入是半導體持續加值的強大動力之一,而且來得既急且快。5、6年前Bi2Se3還是科學期刊的議題,3年前就進入MRAM的實驗室,產業和學術界怎能不融為一體?

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。