革命性研究引領半導體產業,單原子厚度矽烯電晶體已有突破性發展

作者 | 發布日期 2015 年 02 月 19 日 12:00 | 分類 奈米 , 晶片 , 零組件
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由美國德州大學奧斯汀分校(University of Texas at Austin)奈米材料科學家 Deji Akinwande 所帶領的團隊,日前於《自然(Nature)》期刊發布研究結果,表示已成功製造出僅有單原子厚度的矽烯(silicene)電晶體。若日後問世,有望為半導體產業帶來一波革新。



矽烯(silicene)的概念從 2008 年被提出後,始終被學術界認為只是「理論上」可行的材料,一直到 2012 年,科學家才在實驗室成功製造出矽烯,之後不少科學家便嘗試應用矽烯技術於電子零件上。

先前《科技新報》曾介紹結構上與矽烯相似的石墨烯,其為目前最薄且電阻率最小的奈米材料,因此備受業界關注,不過,雖然石墨烯導電能力極佳,但它缺乏能隙(band gap)*註一,意味著石墨烯中沒有「電子態無法存在」的能量範圍,不適合作為電晶體的材料,除非找出能創造出人造能隙的方法,如施加電場、摻雜原子等。

註一:能隙(band gap)泛指半導體或絕緣體的價電帶(valence band)頂端至導電帶(conduction band)底端的能量差。電子可以存在半導體中,並繞原子核運行的區域稱為能帶 (Energy band),而電子原本是在能帶的價電帶中,但若對半導體外加能量,電子吸收能量後就會跳過能隙,直接跳躍到導電帶,而價電帶與導電帶間沒有電子存在的區域,就稱為「能隙」。「能隙的大小」就是價電帶與導電代間的能量差。

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▲圖為半導體能帶結構示意圖。下方 3 條灰帶為充滿電子的帶,最上方 1 條灰色帶為價電帶;價電帶上方白色帶為能隙;能隙上方的白色帶為導電帶。(圖片來源:維基百科

但為何缺乏能隙的材料難以用於電晶體中呢?曾參與 2012 年製造矽烯團隊的法國艾克斯─馬賽大學材料科學家 Guy Le Lay 表示,能隙是讓半導體組件能執行開啟與關閉的關鍵,利用能隙的特性,科學家才能讓半導體執行「0 與 1」的 2 進位位元邏輯運算。因此相較之下,矽烯比石墨烯更適合作為電晶體的材料。

不過,有別於石墨烯可直接從較大的晶體將薄片剪裁下來,矽烯的製程較為繁複。奈米材料科學家 Akinwande 的團隊在真空室裡,將矽蒸氣沉積在銀晶體上,於銀晶體表面形成矽烯單層薄片,但矽烯暴露在空氣中時很不穩定,科學家便用 5 奈米厚的氧化鋁覆蓋在矽烯表面,並剝離矽基材料,將銀翻轉朝上,放置在氧化矽基板上,最後,再將部份銀刮掉,留下薄層的銀與鋁,而矽烯則夾在銀、鋁間,製出單原子厚的矽烯電晶體。

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▲圖為矽烯結構圖。(圖片來源:flickr/Worldofchemicals Media by CC 2.0)

科學家製造出的矽烯電晶體體積相當小,且相較於現今電晶體,矽烯材料電晶體更能提升晶片效能、且耗能相對較少。Akinwande 表示,雖然目前這款電晶體還不太穩定,若矽烯暴露在空氣中,2 分鐘就會開始降解(degrade),生命週期只有短短幾分鐘而已,但這項技術已在學術界引起關注,目前研究團隊仍在嘗試能讓矽烯電晶體延長生命周期的方法。

這項新技術對電晶體材料的運用來說,儼然是別具意義的里程碑,除了可望提升晶片效能外,更證明了矽烯不只是「理論上」行得通的理想材料,而是真能為半導體產業帶來革新的創新技術。

(首圖來源:flickr/Paul Downey by CC 2.0)

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