TMD：半導(dǎo)體先進(jìn)工藝研發(fā)的果實(shí)

聽過TMD (Transition Metal Dichalcogenides；過渡金屬二硫?qū)倩?嗎？5年前我也沒有聽過?，F(xiàn)在是半導(dǎo)體先進(jìn)工藝研究的當(dāng)紅炸子雞，晶圓廠的先進(jìn)集成工藝研發(fā)組織中現(xiàn)在紛紛加入此一題目研究小組，就如同之前的MRAM、第一原理計(jì)算(first principles calculation)、硅光子、量子點(diǎn)等現(xiàn)在都也加入先進(jìn)集成工藝研發(fā)的范疇，而這些從來不是過去半導(dǎo)體工藝研發(fā)的傳統(tǒng)選項(xiàng)。

TMD材料的單位晶格包括一個(gè)過渡金屬原子，如鉬(Molybdenum)、釩(Vanadium)等；硫?qū)僦钢芷诒砹蚰且粰诘脑?，譬如?sulfur)、硒(selenium)、碲(tellurium)等。一個(gè)過渡金屬原子與兩個(gè)硫?qū)僭卦铀M成的分子就叫TMD，如二硫化鉬(MoS2)、二硒化釩(VSe2)等。

TMD變得有趣是石墨烯(graphene)出現(xiàn)后的事。石墨烯是二維材料，就是材料只有一層分子，后來發(fā)現(xiàn)原來是三維材料的TMD也容易組成二維材料。并且因?yàn)榫S度下降，有許多過去在三維時(shí)不易出現(xiàn)的有趣性質(zhì)也一一浮現(xiàn)。

TMD在半導(dǎo)體先進(jìn)工藝出現(xiàn)的原因還是因?yàn)?a target="_blank">晶體管漏電流的老問題。工藝越微縮、源極和漏極中間的通道越短，即使在柵極不加電壓的狀況下，也會(huì)有電流通過，這會(huì)產(chǎn)生能耗和訊號錯(cuò)誤等一大堆問題。晶體管開、關(guān)狀態(tài)的差別不明顯，用術(shù)語來說，就是開關(guān)比(on-off ratio)太低。解決問題的方法之一是縮小通道的截面積，截面積再小小不過二維材料－它的截面積只是一條線，所以TMD材料就浮現(xiàn)在半導(dǎo)體工藝研發(fā)的雷達(dá)中。

現(xiàn)在先導(dǎo)入半導(dǎo)體的是二硫化鉬，電子于其中機(jī)動(dòng)性(mobility)高，做為晶體管通道開關(guān)比也高。而且由于其表面與其它物質(zhì)之間只存有微弱的凡德瓦力，不像硅和二氧化硅的接口中還存有懸空鍵(dangling bond)，流經(jīng)的電子會(huì)陷入這懸空鍵中。

石墨烯是2004年發(fā)現(xiàn)的，2010年剛得諾貝爾獎(jiǎng)，迄今不過10來年，二維TMD的發(fā)現(xiàn)當(dāng)然更遲。我3、4年前開始做這方面的研究，現(xiàn)在這題目仍是研究前沿的領(lǐng)域，但是產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在也將其放入短期研發(fā)的焦點(diǎn)領(lǐng)域之中，科學(xué)與科技的界限變模糊了。

這狀況讓我想起一件事。兩年前我?guī)Я艘晃皇澜缂壙蒲袡C(jī)構(gòu)領(lǐng)導(dǎo)人去拜訪國內(nèi)的對應(yīng)研究機(jī)構(gòu)。當(dāng)討論到一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)時(shí)，他突然噤聲，他隨后解釋說，他和三星簽有合作合約，沒法子談。面臨現(xiàn)在半導(dǎo)體技術(shù)極端逼近科學(xué)研究前沿時(shí)，三星早已改變了他們研發(fā)資源配置的方式，我們準(zhǔn)備好了嗎？