晶片薄到只剩一層原子 台大跨國團隊突破半導體材料瓶頸登「Nature」

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台大跨國團隊突破二維電子元件關鍵材料瓶頸，首次成功製備出晶圓級硼碳氮電晶體。（記者林曉雲翻攝）

未來的電晶體，能不能使用只有一層原子厚度的半導體材料？國立台灣大學材料科學與工程學系教授周苡嘉參與領導跨國研究團隊，成功研發新型「硼碳氮」（BCN）二維半導體，不僅突破長期缺乏高效能p型材料的技術瓶頸，更成功製備兩吋晶圓級材料及電晶體陣列，為下一代超微型電晶體及三維積體電路開啟新方向，研究成果登上國際頂尖期刊「Nature」。

隨著半導體元件持續微縮，科學家積極尋找厚度只有一層或數層原子的「二維半導體」，希望突破傳統材料的限制，應用於下一代微型電晶體及三維整合技術。

團隊說明，現代電子電路普遍採用互補式金氧半導體（CMOS）技術，需要n型與p型兩種半導體相互搭配。簡單來說，n型主要靠電子傳導電流，p型則利用稱為「電洞」的電子空缺傳導，兩者合作有助於控制電流及降低耗電。

然而，科學界雖已在高效能n型二維材料研究取得進展，p型材料卻始終難以兼顧傳導效率與大面積製造，宛如電子電路所需的兩名搭檔，其中一名遲遲跟不上腳步。

周苡嘉團隊與日本東京大學、中研院應用科學研究中心合作，採取原子尺度的材料設計方法，將碳原子引入單層氮化硼晶格，主要取代部分氮原子，藉此改變材料電子特性，成功製備具有高電洞遷移率的p型硼碳氮半導體。

更重要的是，團隊透過控制兩種原料分子的化學反應路徑，讓新材料得以擴展至兩吋晶圓尺度，並製作電晶體陣列。研究顯示，電洞遷移率約每伏特秒100平方公分，開關電流比約一億倍。團隊更評估三批次共224個電晶體，確認元件特性具有均勻性。

研究由臺大周苡嘉、東京大學Vincent Tung及中研院包淳偉團隊共同領導，台大博士後研究員黃張勳為共同第一作者之一。

團隊指出，未來若能更精準控制碳原子的位置及數量，可望進一步調整材料導電特性，並與二硫化鉬等n型二維半導體結合，應用於新一代互補式電子電路。