探析拓樸材料在半導體中的應用

材料科學的進展對于此時的半導體產(chǎn)業(yè)是及時雨，而且從科學變成技術(shù)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(fā)現(xiàn)的議題，有很多已經(jīng)至少被展示在納米級元件的應用。譬如二維材料中的過渡金屬二硫?qū)倩衔?Transition Metal Dichalcogenide；TMD)半導體，由于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(zhì)，已被用于nm等級3D電晶級的開發(fā)，用做通道(channel)材料。許多伴隨二維材料的技術(shù)及設(shè)備也正在同步開發(fā)，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(nèi)在連續(xù)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(zhì)。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(nèi)部空間和外部空間，但是刺一個小洞后，內(nèi)外的空間就連通了，而這刺破的球在拓樸上等同于一張紙（一個平面）。

講拓樸物質(zhì)要更抽象。如果在真實空間中物質(zhì)要體現(xiàn)不同的拓樸性質(zhì)，在應用上近乎不可行。怎么能想象在硅芯片上長球面、甜甜圈等具有各式拓樸性質(zhì)、奇形怪狀的物質(zhì)？其實拓樸物質(zhì)的「拓樸」二字是指材料系統(tǒng)的相空間(phase space)－特別是動量空間。這是凝態(tài)物理描述物性的典型工具，相空間的拓樸性質(zhì)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(zhì)帶來的，特別壯實(robust)，術(shù)語叫topologically protected。

前幾年發(fā)現(xiàn)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于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(xiàn)在被使用于第四代MRAM—SOT(Spin-Obit Torque) MRAM上?，F(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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，與邏輯晶體管的速度競爭，單元面積可以從目前50f2下降到存儲器理想值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(zhì)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(jié)構(gòu)類似，只是WSe2是半導體，WTe2是半金屬，但是后者有是拓樸物質(zhì)，還會在不同的應變下產(chǎn)生不同的相。目前發(fā)現(xiàn)是以太赫茲(terahertz)頻率等級的鐳射照射材料，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(zhì)，因此狀態(tài)可以被讀取—可以是0或1，或者是開或關(guān)。想象一下一個晶體管或存儲器可以用比現(xiàn)在最快的晶體管還要快兩個數(shù)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(xù)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(chǎn)業(yè)和學術(shù)界怎能不融為一體？