下一代半導體晶片的材料革命：過渡金屬二硫屬化物（TMD） - HonWay Materials

隨著傳統矽晶片製程接近極限，科學家們正積極尋找新材料來延續摩爾定律的發展趨勢。

其中，過渡金屬二硫屬化物（Transition Metal Dichalcogenides，TMD）成為備受矚目的候選材料。

美國能源部（DOE）普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）研究團隊近期發表的一項研究，深入探討了 TMD 的原子結構與內部缺陷對其電氣性能的影響，為開發新一代高效能晶片奠定基礎。

從矽晶片到 TMD：半導體技術的演進

傳統矽晶片已支撐計算科技超過半個世紀，然而，當前商業晶片的最小特徵尺寸已縮小至 3 奈米，接近物理極限。隨著對更高效能計算的需求不斷增長，科學家開始轉向二維材料，希望突破現有技術限制。

TMD 作為一種二維材料，僅由幾層原子組成，厚度可以只有三個原子那麼薄。(可以把它想像成一個小小的金屬三明治。)

TMD展現出與傳統矽材料不同的物理、化學與電子特性。與最知名的二維材料石墨烯相比，TMD 由過渡金屬（如鉬 Mo、鎢 W等元素週期表第 3 族到第 12 族的金屬）與硫族元素（如硫 S、硒 Se、碲 Te）構成，其特殊的層狀結構使其具有優異的電子與光學特性，成為半導體領域的熱門研究對象。

MD 的晶體結構並非完美無缺，其中的缺陷可能影響甚至增強其電子性能。例如，原子晶格中可能缺少一個原子，或在非預期位置出現額外原子。這些缺陷雖然可能影響材料的導電性，但某些特定缺陷反而能提升 TMD 的半導體特性。

PPPL 物理學家 Shoaib Khalid 團隊的研究發現，塊狀 TMD 內部經常存在額外電子，而這些電子可能是由氫氣引起的。

研究團隊透過計算不同缺陷類型的形成能量，確定哪些缺陷最可能發生，並分析這些缺陷如何影響材料的電荷傳輸特性。

結果顯示，氫相關的缺陷可能導致 TMD 呈現 n 型（帶負電荷）的半導體性質，而硫族元素空位則可能改變材料的光學與電子特性。

研究人員建議，可透過「光致發光」技術分析 TMD 內部的缺陷，以測量材料發射的光頻率來推測原子結構的變化。

這項研究為未來的 TMD 應用提供了實驗指導，特別是在開發新一代計算機晶片方面，幫助工程師設計符合應用需求的 TMD 半導體。

隨著技術進步，專家預測 TMD 晶片最早可能在 2030 年實際應用於電子設備，成為矽晶片的有力替代方案。透過深入研究材料結構與缺陷影響，科學家將能進一步優化 TMD 的性能，推動半導體技術向前邁進。

文獻參考

Beyond Silicon: How Atom-Thin Materials Are Revolutionizing Chips
以 TMD 材料取代矽，推進下一代更小、更有效率半導體晶片
“硫族元素空位和氫在塊體過渡金屬二硫族化物光學和電學特性中的作用”，作者：Shoaib Khalid、Anderson Janotti 和 Bharat Medasani，2024 年 5 月 24 日，2D 材料。 DOI: 10.1088/2053-1583/ad4720

（首圖來源：普林斯頓電漿物理實驗室)

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