張志祥 / 工研院材化所
應用於超高電壓、超高功率潛在新材料：GeO2
講者Profs. Kentaro Kaneko目前任職於日本京都立命館大學(Ritsumeikan University)，主要研究新型半導體氧化物材料，包括α-Ga2O3、P-type α-Ir2O3及 GeO2等。講者同時是日本兩家新創公司FLOSFIA及PATENTIX的共同創辦人(Co-founder)，FLOSFIA成立於2011年，專注於Ga2O3相關產品技術；PATENTIX則成立於2022年12月，聚焦於GeO2產品技術。
首先比較不同功率半導體材料特性，GeO2為Rutile晶體結構，能隙大小Eg=4.6，與β-Ga2O3 相近，但功率元件特性指標值(Ballga’s figure)是β-Ga2O3 的3倍多，如圖廿一所示。其非常適合應用在超高壓及超高功率輸出的市場，如圖廿二所示。相較Ga2O3 只具N-type特性，GeO2同時具有N-type及P-type，可應用在Bipolar元件上。
GeO2材料商業化的挑戰在於如何得到高品質、高成長速率之結晶GeO2薄膜，目前由分子束磊晶(Molecular beam epitaxy; MBE)方法製作結晶GeO2 薄膜的缺點包括：①低成長速率(10 nm/h)、②窄的製程操作範圍(Narrow growth window)、③容易形成Quartz type介穩定相之非結晶結構、④GeO2蒸氣壓高、易導致GeO和GeO2 分子容易自薄膜表面脫附。
講者團隊以Hot-wall mist CVD系統在TiO2 基板上沉積GeO2 磊晶薄膜，以Ga2O3 (CH2CH2COOH)2作為前驅物(Precursor)、H2O+HCl 作為溶劑，在常壓下675~800℃溫度下進行鍍膜，從XRD繞射圖顯示700℃開始出現r-GeO2(002)薄膜結晶相，800℃結晶相又消失，製程溫度操作範圍約100℃；此外，從XRD rocking curve觀察在725℃溫度下沉積的r-GeO2 薄膜並沒有發現有Rotational domain，顯示磊晶為單晶結構；另一方面，從TEM影像分析可看到Dislocation缺陷，缺陷密度約1010/cm2，如圖廿三所示。相較MBE技術，Hot-wall mist CVD製作r-GeO2 薄膜的沉積速率約1.2-1.7 μm/h，較MBE提升1,000倍。
圖廿三、Hot-wall mist CVD沉積GeO2磊晶薄膜特性解析
研究顯示，成功製作r-GeO2薄膜的關鍵要素在於必須抑制薄膜內氧空缺(Oxygen vacancies)的形成，因為氧空缺會讓原本的GeO2容易轉變成GeO而揮發，而一般常見的真空製程易造成氧空缺，在大氣環境下提供足夠的氧氣才能避免氧空缺的發生，如圖廿四所示。
除GeO2外，講者研究團隊還提出SnO2-GeO2-SiO2新型合金氧化物功率元件，透過合金比例設計可調變材料的能隙(Eg=3.03-8.75eV)，實驗上也驗證(Gex,Sn1-x)O2薄膜在不同的Ge/Sn比例下可以得到不同的能隙，未來可應用在異質結構元件(Heterostructure devices)，如圖廿五所示。
2D半導體的發展與挑戰
講者Profs. Kosuke Nagashio目前任職於日本東京大學，主要研究領域在2D材料電子元件特性。根據IEDM在2020發表的半導體藍圖發展指出，在1奈米及次奈米世代，半導體元件將會導入2D材料，如圖廿六所示。講者分別就以下議題：① Physical properties of TMDC、② Advantage of 2D & present status、③ Main problem及④ Thermodynamic stability of 2D進行說明。
1. Physical properties of TMDC
層狀材料結構如石墨烯(Graphene)和TMDC的產生，是由於在z軸方向具有弱鍵結的π鍵結(Pai bonding)及未鍵結電子對(Lone pair electrons)，如圖廿七所示。比較MoS2、Black P和SnS三種同樣是2D半導體材料，MoS2/MoS2層與層之間的介面鍵結強度約50 meV，與凡德瓦爾力(vdW bonding)相近，屬於弱的鍵結；Black P/Black P的介面鍵結強度約100 meV，屬於一般層狀結構作用力；而SnS/SnS的介面鍵結強度約200 meV，屬於共價鍵結。
比較不同過渡金屬二硫化合物(TMDC)材料的導電性，Group 4 (TiS2、ZrS2、HfS2)、Group 6 (MoS2、WS2)和Group 10 (PdS2、PtS2)屬於半導體材料；而Group 5 (VS2、NbS2、TaS2)及Group 7 (TcS2、ReS2)因費米能階(EF)處於d軌域導帶中，並無能隙(Eg)存在，屬於金屬材料，如圖廿八所示。
圖廿八、不同過渡金屬二硫化合物(TMDC)材料具有不同的導電特性
比較同為2D材料的石墨烯(Graphene)與MoS2的差異，由於鍵結型態的不同，前者z方向主要為sp2鍵結，對應力較不敏感，所以即便底層異質材料界面較不平整，也不影響其電性表現；相較之下，MoS2因有過度元素S存在d軌域Ligand field鍵結，對應力敏感，無論是鍍製在SiO2或BN材料上，對底層異質材料界面之平整度要求高，如圖廿九所示。
2. Advantage of 2D & Present status
講者提到矽基電子元件隨著元件尺寸微縮，即將逼近其物理極限，尺寸微縮也帶來新的挑戰如短通道效應、穿隧效應、載子遷移率大幅降低或雜訊干擾等。2D材料的導入不僅可以維持原有元件Mobility特性，也可避免 ---此為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖卅、2D材料可避免矽基電晶體元件微縮造成的短通道效應