突破原子級薄電子元件的速度瓶頸
中國研究人員宣布一項可能重塑全球半導體產業版圖的製造突破，開發出一種以傳統技術約千倍速度生長二維半導體材料的方法。這項創新由國防科技大學與中國科學院的科學家領導，解決了長期阻礙新一代晶片商業化的關鍵瓶頸。
由朱孟建領導的研究團隊，與金屬研究所的任文才、徐川等同事於3月26日在《National Science Review》期刊發表研究成果。研究展示一種改良的化學氣相沉積技術，每分鐘可生長約20微米的大面積氮化鎢矽薄膜；相較之下，過去的基準速度需花五小時才能生長僅0.001毫米。
矽材料的發展已近瓶頸
五十多年來，電子產業一直遵循摩爾定律：微晶片上的電晶體數量約每兩年增加一倍，成本則持續下降。這項規律推動從智慧型手機到超級電腦等各類產品的演進，並建立起以矽為基礎、規模達兆美元的產業。然而，隨著電晶體尺寸逼近原子尺度，基本物理定律開始介入。
尺寸低於約5奈米時，矽中的電子開始呈現量子力學行為，削弱傳統運算的效能。量子穿隧效應會使電子穿過原本應阻擋電子的絕緣障壁；元件愈密集，散熱也愈難控制。這些物理限制可能使支撐現代科技發展的進步停滯。
人工智慧系統與大型語言模型對運算能力的需求持續加速，所需處理能力呈指數成長。根據產業預測，到2030年，AI運算需求可能較2023年增加千倍。需求與矽材料物理極限之間的差距日益擴大，促使全球積極尋找可延續或取代傳統半導體製程的替代材料。
二維材料的潛力
二維半導體是突破傳統矽材料限制、最受看好的途徑之一。這類材料有時僅厚一個原子，其導電方式與三維晶體有根本差異。不同於必須從固體矽塊中刻出電流通道的塊材矽，二維半導體本身就極薄，不必透過蝕刻移除材料來製作奈米級結構。
這些超薄層中的量子侷限效應，反而可能改善而非削弱電性。電子受限於二維空間移動時，其最低能量會提高，實際上擴大了控制電晶體開關狀態的能隙。這表示在相同尺度下，二維材料有望比矽具備更高的能源效率與更低的漏電流，因此適合應用於5奈米以下製程節點。
已有數種二維材料展現出優異的效能。二硫化鉬與二硒化鉬屬於過渡金屬硫族化合物，具有天然能隙，可在導電與絕緣狀態之間切換。這些n型材料以電子傳導電流，在實驗室中相對容易製備。然而，製作實用的積體電路，還需要能互補搭配的材料組合。
解決p型材料短缺問題
現代電晶體架構仰賴兩種不同半導體的搭配：n型以電子作為電荷載子；p型則依靠電洞（晶格中缺少電子的位置）傳導正電荷。這種互補式金屬氧化物半導體架構（CMOS）是當代所有數位邏輯的基礎。每個NAND、NOR與NOT閘都需要兩種材料搭配運作。
儘管n型二維半導體已相當普遍，高效能且穩定的p型材料卻始終難以取得。朱孟建形容這項短缺是關鍵瓶頸，也是半導體研究競爭最激烈的領域之一。若沒有可靠的p型材料，無論n型材料多麼優異，工程師都無法打造構成運算基礎的基本邏輯閘。
中國團隊提出氮化鎢矽，作為解決這項不平衡的方案。這種材料天然呈現p型特性，不必透過外部摻雜，而摻雜程序往往會帶來不穩定性。薄膜展現高電洞遷移率與高電流密度，同時具備良好的機械強度與熱傳導能力。這些特性顯示，材料能承受商用晶片製造所需的多道微影製程，不致龜裂或從基板剝離。
北京大學的彭海琳教授則投入另一項相關的二維電晶體研究，採用氧硒化鉍。他表示，摻雜平衡至關重要。這項同樣著眼於後矽時代架構的研究中，其團隊打造的元件速度比英特爾最新的3奈米晶片快40%，耗電量則少10%。北京大學團隊形容這項發展是轉換車道，而非抄捷徑，凸顯半導體設計正脫離矽基架構，迎來根本轉變。
金與鎢帶來的創新
這項製程速度突破的關鍵創新，是重新設計用來生長二維半導體薄膜的化學氣相沉積程序。傳統CVD技術會讓前驅氣體流經加熱的基板，等待原子一層層結晶。這個過程過去一直非常緩慢，從毫米級實驗室樣本擴大到商業製造使用的300毫米晶圓，在經濟上並不可行。
研究團隊以液態金與鎢的雙層結構取代標準固態基板。液態金表面沒有晶界，可為晶體成核提供均勻平滑的模板，讓前驅原子能比在傳統固態基板上更快速地擴散。同時，底層鎢提供形成氮化鎢矽薄膜所需的元素之一，降低對氣相供應機制的依賴，而這類機制往往會限制生長速度。
這項基板改良使單層薄膜可生長至約36乘18毫米，讓二維半導體進入晶圓級製造的範疇。所得材料展現良好的電性、耐用性與散熱能力，這些都是先進晶片應用不可或缺的特性。製程速度從五小時約0.00004英吋，提升至每分鐘約0.0008英吋，速度提高千倍，引起業界關注。
這種方法也能精確控制摻雜特性，讓工程師調整薄膜的電性。這項可調性對於將二維材料整合至現有CMOS架構至關重要，也是邁向商業化的必要步驟。由於與現有半導體基礎設施相容，未來整合或可更簡便，但從目前展示的尺寸擴大至完整量產晶圓，仍有重大工程挑戰。
全球競爭與戰略影響
這項半導體突破出現之際，主要經濟體之間的科技競爭日益激烈。根據CAS Content Collection的資料，中國機構在微電子相關期刊論文與專利方面快速攀升，且提出許多以商業應用為導向的智慧財產權申請。與此同時，美國透過《晶片與科學法案》積極維持領先地位，投入527億美元強化國內製造與研究能力。
地緣政治緊張情勢使全球供應鏈更加複雜。2022年10月實施的出口管制，限制中國取得先進半導體設備與運算晶片。這些限制旨在遏止中國在AI與國防科技領域的發展，但也促使中國加大國內研究力度，力求實現技術自主。二維半導體的進展正是這類基礎研究的代表，有望透過開發替代材料平台，繞過傳統設備瓶頸。
市場分析指出，全球半導體設備市場2025年估值約為1,118.4億美元，預計到2034年將達2,680.6億美元。成長動能來自向5奈米以下先進製程的轉型，極紫外光微影與新型材料也因此成為關鍵。亞太地區目前以近69%的市占率居主導地位；歐洲與北美則大舉投資，致力於分散過度集中的供應鏈。
業界專家指出，從實驗室展示跨入商業生產，需要材料科學家、製程工程師與元件物理學家合作，投入多年時間。缺陷密度必須降至足夠低，才能讓單一晶片上的數十億個電晶體可靠運作；新材料也必須證明能與現有微影、蝕刻及金屬化製程相容。無論最後哪種材料投入量產，中國團隊開發的液態金屬基板方法都可能影響整個產業的工程原則。
商業化之路的挑戰
儘管實驗室成果令人振奮，從目前進展到搭載二維電晶體的消費性產品，仍有幾項重大障礙。隨著生產規模擴大，要在更大的晶圓面積上維持均勻性，難度也會呈指數增加。從36乘18毫米的薄膜轉向300毫米量產晶圓，不只是擴大化學氣相沉積設備而已，還必須在大幅增加的表面積上維持原子級精度。
散熱管理也是一項重要考量。與部分替代材料相比，氮化鎢矽具備良好的熱特性，但超薄材料可供熱流通過的截面積本來就有限。隨著電晶體排列愈來愈密集，排除廢熱對維持效能及避免脆弱結構受熱損壞至關重要。二維材料也必須具備足夠機械強度，以承受蝕刻、沉積與清洗等製程帶來的物理應力，避免原子級薄層受損。
技術人力短缺使這些挑戰更加棘手。美國半導體產業協會預估，光是美國到2030年就將短缺約6.7萬名熟練技術人員、工程師與科學家。全球其他製造重鎮也面臨類似缺工問題，即使新技術已在研究環境中證明可行，落地速度仍可能因此放慢。
環境問題也為擴廠計畫帶來重大考驗。一座生產12吋晶圓的現代化晶圓廠，每天約消耗1,000萬加侖的水。2021年台灣嚴重乾旱凸顯半導體製造容易受到資源限制影響。製造商日益採用回收技術與永續措施，但在業界考慮興建新設施以容納新型材料之際，晶片製造高度耗能、耗水的特性仍不容忽視。
重點整理
- 中國研究人員開發出一種化學氣相沉積技術，生長二維半導體材料的速度比過往方法快千倍，達到每分鐘約20微米。
- 這項突破運用液態金與鎢的雙層基板，製成晶圓級氮化鎢矽薄膜，解決CMOS電晶體配對所需的高效能p型二維材料短缺問題。
- 這項創新正值矽材料在尺寸低於5奈米時逼近基本物理極限，量子穿隧與散熱問題可能使摩爾定律帶來的數十年穩定效能進步停滯。
- 二維半導體僅厚數個原子，有望讓電晶體持續微縮，並比傳統三維矽材料更具能源效率。
- 這項發展處於半導體主導權的激烈全球競爭之中。中國持續增加研究成果，美國與歐洲則透過晶片法案投入數十億美元，確保國內供應鏈。
- 從實驗室展示跨入商業生產，仍須克服缺陷密度、散熱、製造均勻性，以及與現有製造基礎設施整合等挑戰。
- 在AI運算、先進製程與二維半導體等新型材料需求帶動下，半導體製造設備市場預計將從2025年的1,118.4億美元，成長至2034年的2,680億美元。
