以 TMD 材料取代矽，推進下一代更小、更有效率半導體晶片
根據摩爾定律，積體電路可容納的電晶體數目約每 2 年便增加 1 倍，但這條定律即將走到盡頭。隨著矽晶片越做越小，進入 2 奈米製程後功能、尺寸便幾乎達到物理極限，因此研究人員正在開發更小、更薄、更有效率的下一代晶片，以過渡金屬二硫屬化物（TMD）替代矽材料。
當前所有電子設備都使用以矽製成的晶片，半導體產業也藉由不斷縮小電晶體尺度來提升元件效能，然而日益縮小的元件終將面臨製程技術與物理瓶頸，科學家只好開始尋找替代三維矽的下一任半導體支柱。
其中，僅原子層厚度的二維層狀半導體材料近年備受矚目，比如過渡金屬二硫族化物（transition metal dichalcogenides，TMD），許多公司已在二維材料晶片投入大量資金；最近，普林斯頓電漿物理實驗室（PPPL）物理學家 Shoaib Khalid 團隊也在《2D Materials》期刊發表新論文，詳細介紹 TMD 原子結構可能發生的變化、發生原因及它們如何影響材料。這些資訊為改進下一代電腦晶片所需流程奠定基礎。
過渡金屬二硫族化物（TMD）材料關鍵特徵是二維結構的大原子相互作用，如二碲化鎢（WTe2）表現出反常巨磁阻和超導性，其餘如：二硫化鉬（MoS2）、二硫化鎢（WS2）、二硒化鉬（MoSe2）、二硒化鎢（WSe2）等，也都是極具潛力的二維層狀半導體材料。
研究人員解釋，TMD 可以薄到僅 3 個原子厚度，把它想像成由硫族元素（硫、硒、碲）製成的金屬小三明治，中間餡料可為任何過渡金屬原子（元素週期表第 3 族到第 12 族的金屬）。
塊狀 TMD 則具有 5 層或更多層原子排列成晶體結構，有時候，科學家會在晶格結構某處發現缺少 1 個原子、或在奇怪位置找到 1 個原子，這種「缺陷」偶爾能為材料帶來正面影響，比如某些 TMD 缺陷反而使半導體導電性更強。
▲ 中間缺失 1 個硫族原子的 TMD 中間層示意圖。
無論好壞，科學家必須了解引發缺陷的原因並加以利用。之前，科學家發現塊狀 TMD 含有多餘電子，現在 Shoaib Khalid 團隊指出，這些多出的電子可能由氫氣引起。
根據缺陷的類型與性質，材料也會有不同表現與性能。比如多餘電子會形成 n 型半導體材料，失去電子留下電洞則使材料成為 p 型。
至於我們還要等多久才能在手機、PC 看到 TMD 晶片的應用？專家認為，到 2030 年可能就會出現實際用於設備的 TMD 電晶體。
（圖片來源：普林斯頓電漿物理實驗室）
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