換堆疊法 半導體材料新突破

(台北內科週報第755期/2026年10月12日-2026年10月18日)

【產學政研連線】二硫化鉬 (MoS₂) 是代表性的2維半導體材料,具有原子級厚度與良好的電子、光學特性,被視為後摩爾時代先進電子與光電元件的重要候選材料。單層 MoS₂具有直接能隙,具有良好的光吸收與發光能力,然而,當材料堆疊成雙層時,常見的2H或3R堆疊會因層間作用改變電子能帶結構,使其轉為間接能隙,導致發光效率下降,成為雙層MoS₂發展光電與谷電子應用(valleytronic applications)的重要限制。

面對AI、高效能運算與低功耗電子需求快速成長,半導體元件持續微縮與新材料開發成為全球科技競爭關鍵。在國科會「晶創臺灣」及前瞻半導體相關計畫支持下,臺灣師範大學物理學系藍彥文教授、陸亭樺教授、楊弘偉博士及成功大學核心設施中心林光儀博士共同領導研究團隊,結合臺灣大學、陽明交通大學及國家同步輻射研究中心的研究能量,成功以化學氣相沉積(CVD)製備1H堆疊雙層MoS₂,呈現直接能隙、增強發光與谷極化特性,研究成果刊載於國際頂尖期刊《Nature》。

這項研究以原子堆疊方式作為材料設計的關鍵參數。該研究團隊發展兩階段化學氣相沉積成長方法,透過控制成長溫度與快速降溫,抑制成長中的原子重新排列為較穩定的3R堆疊,成功形成上下兩層高度對位的1H結構。由於不同堆疊方式會改變層間距離與原子軌域間的作用,進而影響電子能帶與光學性質,因此可在不改變材料成分的情況下,透過原子排列設計調控材料功能。

▲1H雙層 MoS₂的原子堆疊與光學特性示意圖(照片係國家科學及技術委員會提供)。

藍彥文教授表示,這項研究最重要的發現,是2維材料的性質不只取決於「用了什麼材料」,兩層原子「怎麼排列」也很重要。研究團隊透過直接CVD成長,精準控制雙層MoS₂的堆疊方式,在不改變材料成分的情況下,就能重新調整它的電子能帶,讓雙層材料呈現直接能隙、較強的發光與谷極化特性。我們也從原子結構、電子能帶到光學性質進行多重驗證,確認這些變化確實來自堆疊方式的改變。未來若能更進一步掌握成長條件與原子排列之間的關係,原子堆疊就有機會成為設計新型二維半導體與量子材料的重要工具。

研究結果顯示,1H雙層MoS₂不僅展現不同於傳統雙層結構的電子能帶,也具有更強的發光表現與明顯的谷極化特性。此結果顯示,原子層之間的相對排列不僅影響電子結構,也會進一步改變材料與光的交互作用,對未來二維半導體光電元件與谷電子元件的設計具有重要意義。

該研究團隊透過多種分析方法進行交叉驗證。原子尺度顯微、電子繞射及第2諧波產生分析確認1H堆疊可在微米尺度範圍內形成;第1原理計算與同步輻射角解析光電子能譜 (ARPES)則進一步解析其電子能帶結構。量測結果確認1H雙層MoS₂具有直接能隙特性,並建立從原子堆疊、層間作用、電子能帶到光學功能之間的關聯。


號外 突破二維半導體介面瓶頸

(台北內科週報第746期/2026年8月10日-2026年8月16日)

【產學政研連線】在今日,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「2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。

目前,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2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》。

▲2維半導體磊晶介面工程示意圖(照片係國家科學及技術委員會提供)。

2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1項關鍵挑戰,亦即為了控制電流,必須在上面鋪1層超薄的「閘極介電層」。這就像要在超薄的紙上再鋪上1層膜,很容易在過程中破壞到紙張表面。同時,這也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。而臺灣產學研團隊的創新之處,並不是去尋找另1種新材料,卻是利用「磊晶介面工程」(epitaxial interface engineering),重新設計了這層「膜」的結構。

集3個研究團隊之長,他們利用超高真空技術,先在單層MoS2表面精準鋪上1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。而這個只有原子級厚度的完美介面,不僅大幅提升2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2維半導體元件邁向實際應用的重要潛力。