二維半導體磊晶介面工程示意圖。(圖／國科會提供)
手機、電腦，甚至未來的AI智慧裝置，都需要運算速度更快、耗電更低的半導體晶片。然而，傳統矽半導體技術，已逐漸逼近物理極限。為了解決這個問題，全世界的科學家都在尋找下一代的半導體材料，而「二維半導體」因為薄到只有原子級厚度，被視為延續摩爾定律，讓晶片持續微縮與提升效能的重要關鍵。
在國科會「Å世代前瞻半導體專案計畫」及「晶創臺灣-次世代半導體材料與元件整合關鍵技術」計畫支持下，陽明交通大學電子物理系/中研院應用科學研究中心張文豪教授團隊，攜手台積電Iuliana Radu博士團隊及陽明交通大學半導體工程學系李宗恩教授，針對二維半導體長期以來面臨的「介面問題」提出解決方案，成功開發出高效能的單層二硫化鉬(MoS2)頂閘極電晶體，這項突破性成果更登上國際頂尖期刊《Nature Electronics》。
「磊晶介面工程」突破二維半導體關鍵瓶頸
二維半導體雖有極致薄的優勢，但要讓它真正在晶片裡發揮作用，仍面臨一項關鍵挑戰：為了控制電流，必須在上面鋪一層超薄的「閘極介電層」。這就像要在超薄的紙上再鋪上一層膜，很容易在過程中破壞到紙張表面，這將導致電子傳輸受阻(電子散射)，使得元件效能受到嚴重影響。因此，如何兼顧超薄結構與高速電子傳輸，一直是國際半導體界難以跨越的高牆。臺灣產學研團隊的創新之處，並不是去尋找另一種新材料，而是利用「磊晶介面工程」(epitaxial interface engineering)，重新設計了這層「膜」的結構。
研究團隊利用超高真空技術，先在單層MoS2表面精準鋪上一層超薄的鋁，再經氧化形成厚度僅約0.42奈米的氧化鋁層，作為後續材料生長的高品質基底。這個只有原子級厚度的完美介面，不僅大幅提升二維半導體與介電層之間的品質，更有效降低電子傳輸阻礙，成功兼顧「超薄」與「跨導」兩項關鍵特性。利用這項技術，團隊製作出的電晶體，在極小的尺寸下展現全球領先的跨導表現，同時具備極低漏電流與優異操作穩定性，展現二維半導體元件邁向實際應用的重要潛力。
介面工程奠定後矽時代科技基礎
張文豪教授表示，未來二維半導體真正的競爭，不只是材料，而是介面工程! 這項技術最大的價值，是建立可廣泛應用於不同二維半導體材料的平台技術。未來可望發展出更高速、更低功耗的電子元件，並與現有的半導體製程完美結合，為「後矽時代」的晶片技術奠定重要基礎，也再次展現臺灣在次世代半導體領域的創新實力與國際競爭力。
【團隊成員】
本研究由陽明交通大學電物系/中研院應科中心張文豪教授與半導體工程學系李宗恩教授帶領之研究團隊，與台積電Iuliana Radu博士研究團隊共同合作，並結合中央研究院、國立臺灣大學及國家儀器科技研究中心之研發能量共同完成。
【論文資訊】
論文標題: High-transconductance molybdenum disulfide top-gate transistors using epitaxial interface engineering
期刊: Nature Electronics
