二维半导体材料进入新阶段 科技部订3大年度工作目标

2022年下半台积电下时代制程节点3纳米即将量产，2023年首季会有明显的营收贡献，到了2025年台积电将进入2纳米GAA时代。随着半导体制程迈向个位数纳米节点，如何跨越晶体管微缩的物理极限、延续摩尔定律（Moore’s Law）寿命，成为目前相关技术研发的焦点。至于二硫化钼（MoS2）、二硒化钼（MoSe2）、二硒化钨（WSe2）、氮化硼（BN）、石墨烯等材料是否能够进行量产的关键还是在于如何制作成稳定且高品质的半导体元件。

一般认为3纳米已是制程微缩的物理极限，必须仰赖创新技术上的突破，寻找能取代硅为基础的半导体材料。如二维材料、BN、氮化镓（GaN）等，才能解决制程微缩化所面临的功耗与漏电流、不同材料整合间热膨胀系数差异等问题。

能取代硅的新颖半导体材料是目前台湾学界热门的研究议题，例如常见的具有导体特性的石墨烯，有半导体能隙的过渡金属硫化物MoS2、WS2，高介电（High-k）系数绝缘体等，高介电系数绝缘体可降低闸极漏电流，其中二氧化铪（HfO2）则是获学界广泛研究的材料。

因应次时代半导体战略需求，政府的策略是积极运用政府已建立的大型研究设施，锁定台湾未来先进半导体研究需求，让国际级尖端光源设施成为推动半导体前瞻研究的实验利器与坚实后盾。科技部「突破半导体物理极限与链结AI时代计划」，2022年国家同步辐射研究中心将进入计划的第二年，科技部对该中心订定的年度目标有3项，包括一、完成丛集式在线XRD实时检测开发，AR-XPS、光罩缺陷检测，并打造封装用无光罩曝光机光源技术。二、开发前瞻材料物性化性功能解析实验技术。三、发展半导体二维薄膜与半导体临场高端X光电子能谱技术所需临场实验环境系统与实验站设计。

根据计划说明数据，在半导体极限之后的新时代科技发展，例如低维度半导体，量子科技所需的量子材料、和数码信息追求的高密度电子自旋控制与量测技术等，将大量仰赖新颖材料的开发和对应的物性化性探测技术来突破。同步辐射中心将运用政府经费，投入相关研究与建立技术平台。

由于GaN薄膜材料因异质磊晶成长，造成薄膜大量缺陷及高比例错位缺陷进而影响材料的品质。政府协助建立半导体临场检测技术，以期有效的分析GaN薄膜半导体，标示缺陷区块以及组成与结构分析，并且可实时观察薄膜材料于真实制备过程中所产生的特性行为变化，有助于改善半导体制程良率和降低制造成本。

此外，二维材料过渡金属硫属化合物（TMD）是目前应用于3纳米制程以下最佳候选材料，然而材料品质决定元件效率与寿命，因此了解材料缺陷以及表面生成物氧化物、氮化物、氯化物、硫化物的情况也十分重要。在科技部的经费支持下，目前台湾有多个学术团队正致力于相关研究，并以非破坏的方式，分析半导体元件内各层超薄薄膜的晶体结构、界面型态与电子能带。

责任编辑：舒能翊