TMD：半導體先進工藝研發(fā)的果實

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)在是半導體先進工藝研究的當紅炸子雞，晶圓廠的先進集成工藝研發(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、第一原理計算(first principles calculation)、硅光子、量子點等現(xiàn)在都也加入先進集成工藝研發(fā)的范疇，而這些從來不是過去半導體工藝研發(fā)的傳統(tǒng)選項。

TMD材料的單位晶格包括一個過渡金屬原子，如鉬(Molybdenum)、釩(Vanadium)等；硫?qū)僦钢芷诒砹蚰且粰诘脑兀┤缌?sulfur)、硒(selenium)、碲(tellurium)等。一個過渡金屬原子與兩個硫?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。并且因為維度下降，有許多過去在三維時不易出現(xiàn)的有趣性質(zhì)也一一浮現(xiàn)。

TMD在半導體先進工藝出現(xiàn)的原因還是因為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，也會有電流通過，這會產(chǎn)生能耗和訊號錯誤等一大堆問題。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)在半導體工藝研發(fā)的雷達中。

現(xiàn)在先導入半導體的是二硫化鉬，電子于其中機動性(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，迄今不過10來年，二維TMD的發(fā)現(xiàn)當然更遲。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域，但是產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在也將其放入短期研發(fā)的焦點領域之中，科學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構(gòu)領導人去拜訪國內(nèi)的對應研究機構(gòu)。當討論到一項先進技術(shù)時，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)在半導體技術(shù)極端逼近科學研究前沿時，三星早已改變了他們研發(fā)資源配置的方式，我們準備好了嗎？