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•摩爾定律預測積體電路中單位面積的電晶體數目每兩年會增加一倍，但隨著元件線寬的縮減，摩爾定律已接近極限。
•二維晶體的發現為半導體產業帶來新希望，在幾個原子層內可以展現良好的元件特性，有望作為次奈米電晶體的電流通道層。
•二維材料與其他材料介面間的高接觸電阻，是它在應用上的一大挑戰，但半金屬二維材料與半導體二維材料間低接觸電阻的特性，對二維材料未來的實際應用帶來一絲曙光。

 
在《三體》這本科幻小說中，「降維打擊」是一種高階外星文明消滅太陽系全體生命的終極武器。當我們的生活空間從三維變成二維時，三維生命體便會因無法在二維空間內維持生命的表徵而集體滅絕。有趣的是，隨著晶片微縮的需求上升，線寬逐漸縮減，半導體元件也可能將要面對相同的降維打擊。只是這一次的結果是全面的滅絕或另一次重生，仍是未定之天。
 

半導體與摩爾定律

在半導體代工業尚未出現的1975年，當時的半導體巨擘、英特爾（Intel Corporation）創始人摩爾（Gordon Moore）就根據他在半導體業多年的觀察歸納出一個規律：在積體電路中單位面積的電晶體數目每兩年會增加一倍。隨著時間推進，這個沒有科學根據的都市傳說逐漸變成了半導體業界遵從的「摩爾定律」（Moore's law）。為了讓傳說一代一代地傳承下去，成千上萬的半導體工程師殫精竭慮地將元件愈做愈小，以符合摩爾定律的預測。
 
然而，元件線寬在2010年代逐漸迫近傳統的平面式電晶體的極限，20奈米（nm）技術節點的元件結構也無法再展現出良好特性，研發工程師即使不願意承認卻仍可能發生「摩爾定律已死」的既定命運⸺單位面積內的電晶體數目已經無法再持續增加了。此時，一個嶄新的元件結構如同神諭般從天而降，解救了所有的研發工程師，那就是鰭式場效電晶體（Fin FET）。神諭的具體內容是當愈來愈窄的運河不足以承載足夠多的水流時，便把運河挖深一點吧⸺只是這一次，水流變成了電流，而用以承載水流的空間則變成了半導體。因為鰭式場效電晶體的出現，摩爾定律失效的時間便被延後至十數年後，也就是3奈米技術開始進入量產的現在。
 
雖然命定的結局似乎還沒有來，然而正如同死亡是每一個新生命絕對無法逃避的未來一樣，摩爾定律的失效仍像是擺脫不了的夢靨般，追逐著研發人員的腳步。2奈米技術節點呢？或許可以用閘極全環式電晶體（GAAFET）解決，不過2奈米以下呢？再接下來呢？然而就像是鰭式場效電晶體的出現一樣，生命的偶然又再次顯現了它的威力。
 

石墨烯的發現

2004年，來自英國曼徹斯特大學（University of Manchester）的研究人員蓋姆（Andre Geim）、諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）在《科學》（Science）期刊上發表了一篇論文，他們運用半透明膠帶（scotch tape）在高定向熱解石墨（HOPG）塊材上重複黏貼，再將這片膠帶拿到氧化矽／矽基板表面沾黏（延伸閱讀1）。就像是新購的碗盤上無法擺脫的殘膠一樣，基板上會殘留下微米（μm）等級的單層石墨薄膜，由於單層石墨的碳原子都規則地排列在同一個平面上，因此這是現實世界中第一次觀察到的二維晶體。
 
當時的人們也曾經相信二維晶體並不存在於自然界，因此單層石墨薄膜的出現便像是劃開迷霧的第一顆晨星，除了在幾年後帶給這兩位研究人員一座諾貝爾獎之外，人們也給予了這項材料一個新的名字「石墨烯」（graphene）。

顯微鏡下的石墨烯薄片。（Дагесян Саркис Арменаковичm, CC BYSA 4.0, Wikimedia Commons）

這篇論文除了揭示二維晶體存在的可能性之外，也展現了即使只有單層原子層的厚度（約4埃，angstrom, Å），石墨烯電晶體仍具有極高的載子遷移率（carrier mobility）〔註〕。那麼我們有沒有辦法使用二維材料，製作出奈米等級的電晶體並繼續延續摩爾定律？此想法成為了對二維材料研究的濫觴。自2004年後，大量的研究團隊開始投入二維材料的研究，許多論文也開始大量出現關於二維材料的基礎研究，以及可能應用的探討。
 

〔註〕載子（例如電子或電洞）在半導體材料中運動能力的物理量，定義為在單位電場作用下，載子在單位時間內沿電場方向移動的平均距離。

 
雖然群策並不見得群力，各種偏離初衷的研究也時不時地出現在研究社群中。然而，在20年的研究過後，對於摩爾定律的執著仍然強行地把二維材料的研究主軸拉回電子元件的應用。為了要達成電晶體有效開關電流的目的，二維材料的研究重心也逐漸從沒有能隙（band gap）的半金屬石墨烯，轉移至具有能隙的半導體二維材料，例如二硫化鉬（molybdenum disulfide）、二硫化鎢（tungsten disulfide）等。由於二維材料的厚度僅為一個至數個原子層（＜1nm），在使用二維材料作為電晶體的電流通道層時，其他材料與二維材料的介面（interface）通常會對電流在通道中的傳輸帶來程度不一的影響。其中一個例子便是電晶體無法或缺的閘極氧化物，對於二維材料通道遷移率的負面影響。因此在大部分的研究中，底閘極電晶體而非半導體業常見的頂閘極電晶體便成為展現二維材料特性的元件結構。由此可見，為了達成二維材料在電子元件的應用，二維材料與其他材料介面的處理，便成為了它在實際應用層面的一個重要課題。

低接觸電阻半金屬二維材料電極的出現

在二維材料研究領域許多待解決的問題排行榜中，二維材料與金屬介面間的高接觸電阻一直是排名很前面的問題。在傳統的半導體元件中，電極與半導體間歐姆接點（Ohmic contact）的形成是元件製程中必要的程序。然而，不同於傳統的半導體材料，理想的二維材料表面並沒有懸鍵（dangling bonds）存在，即便經過高溫退火的過程，金屬原子仍無法擴散進入二維材料，金屬／二維材料的介面也就持續只是介面而已，如此一來，電流在流入電晶體時便會大量地消耗在接點處。除了元件本身的溫度增加之外，為了要讓元件達到可以操作的地步，便需要增加外加偏壓而造成元件的能耗增加。想想看，如果把許多高耗能的電晶體集合在一個很小的晶片中，會發生什麼事？許多人試圖找出這個問題的解答，然而除了更多的疑惑之外，這些解答也無法真正的解決問題。
 
2017年，筆者研究團隊的一位博士生提出將銻（antimony, Sb）成長在二維材料表面的想法。實驗結果發現，由於二維材料表面不像其他材料一樣具有許多懸鍵，因此銻原子就像是穿上了摩擦係數極小的溜冰鞋般，可以在二維材料表面盡情奔跑，也使它更容易在二維材料表面找到另一個志同道合的銻原子。當此現象重複出現後，團隊便發現銻原子的二維結構⸺單晶銻烯薄膜（single-crystal antimonene films）可以在其他二維材料的表面成長。有趣的是，在以銻烯薄膜作為接觸金屬時，半導體二維材料通道與電極間的接觸電阻便降低了好幾個數量級。
 
上述發現在2018年被提出（延伸閱讀2），不過一直到去（2023）年「半金屬二維材料可以作為半導體二維材料的低接觸電阻電極」的想法才逐漸被研究社群所接受。這個歷史中的巧合顯示了一個簡單的事實，個人的念想無法簡單的撼動整個世代人們的意志，而時代的意志也並不一定指向正確的方向。不過，無論是技術上的想法抑或是對時代意念的反思，可能還得要經過時間的淬鍊才能發揮它的威力。

二維材料的潛力與挑戰

人類對二維材料的研究由開始迄今不過20年，雖然此材料在次奈米半導體元件的應用相當具有潛力，然而從目前的研究成果看來，潛力也僅限於潛力而已。除了針對材料選擇與介面問題的研究之外，二維材料是否有進入實用的可能性，有賴於我們的思維能否由既有的三維半導體跳脫，並轉化至未知的二維材料。
 
就像是在《三體》中高階外星文明為了要解決黑暗森林的困局而企圖以降維打擊來消滅所有的對手一樣，由於維度的坍縮不會終止，最終整個宇宙便會變成二維空間，因此維持他們生存的唯一方法便是提早將自己改造成二維生命體。同理，二維材料對半導體元件的縮小是一個毀滅性的打擊或是創造性的重生，取決於我們對這個材料了解的層次有多深刻，由此時此刻看來，這件事情達成與否仍屬於生命的未知。然而，正如同死亡對於生命的誕生，摩爾定律的終結也是生命的必然，畢竟又有誰可以說在二維空間裡不會有另一片黑暗森林存在呢？
 

延伸閱讀
1. Novoselov, K. S. et al. (2004). Electric field effect in atomically thin carbon films. Science, 306 (5696), 666–9.
2. Chen, H. A. et al. (2018). Single-Crystal Antimonene Films Prepared by Molecular Beam Epitaxy: Selective Growth and Contact Resistance Reduction of the 2D Material Heterostructure. ACS Applied Materials & Interfaces, 10 (17), 15058–64.