探析拓朴材料在半导体中的应用

材料科学的进展对于此时的半导体产业是及时雨，而且从科学变成技术的速度也令人叹为观止。前几年还在《Nature》、《Science》这些顶级科学期刊当成科学新发现的议题，有很多已经至少被展示在纳米级元件的应用。譬如二维材料中的过渡金属二硫属化合物(Transition Metal Dichalcogenide；TMD)半导体，由于其二维维度及材料特性—高电子流动性(mobility)、低漏电流(leakage current)、高可挠性(flexibility)等性质，已被用于nm等级3D电晶级的开发，用做通道(channel)材料。许多伴随二维材料的技术及设备也正在同步开发，常被提到的材料有二硫化钼(MoS2)及二硒化钨(WSe2)。

除了二维材料外，另一个目前研究的热门题目是拓朴材料(topological materials)，要解释拓朴的概念总是令人头疼。拓朴是指空间内在连续的变化下（如拉伸或弯曲，但不包括撕开、剌孔或粘合）下维持不变的性质。譬如一个二维球面（放在三维来看）不管被拉扯扭曲，它总是有隔离的内部空间和外部空间，但是刺一个小洞后，内外的空间就连通了，而这刺破的球在拓朴上等同于一张纸（一个平面）。

讲拓朴物质要更抽象。如果在真实空间中物质要体现不同的拓朴性质，在应用上近乎不可行。怎么能想象在硅芯片上长球面、甜甜圈等具有各式拓朴性质、奇形怪状的物质？其实拓朴物质的「拓朴」二字是指材料系统的相空间(phase space)－特别是动量空间。这是凝态物理描述物性的典型工具，相空间的拓朴性质会反应在材料的传导特性上，特别是电子和自旋的传导。而且这些特性因为是拓朴性质带来的，特别壮实(robust)，术语叫topologically protected。

前几年发现的拓朴绝缘体(topological insulator)就是拓朴材料的一种。它在块材(bulk)中是绝缘体，但是在材料表面、边界上它是导体，而且电子的自旋方向落于材料表面上而与电子运动方向垂直。也就是说，这边界上的电流还携带自旋流(spin current)。这与一般的电流不同—一般电流的自旋方向因为散射、热扰动等因素，自旋的方向是随意的，平均的自旋流为0。

既有自旋流，就有自旋电子学(spintronics)的应用。目前呼声最高的是将三硒化二铋(bismuth selenide；Bi2Se3)，它现在被使用于第四代MRAM—SOT(Spin-Obit Torque) MRAM上。现在第三代STT(Spin Torque Transfer) MRAM主要是用自旋被极化过的电流来翻转自由层(free layer)的磁矩方向，改变MRAM中记录的0与1。但是因为电子很轻，翻转磁矩的力道比较没效率，需要比较大的电流，因而需要比较大的CMOS（目前MRAM单元面积的瓶颈）来提供较大电流，单元面积大、读写速度慢、功耗高。用Bi2Se3上电流所携带自旋流SOT的效力比STT大约大20倍，如此上述STT的缺点都可以大幅改善，譬如写入速度可以从目前的10 ns进入次ns速度，与逻辑晶体管的速度竞争，单元面积可以从目前50f2下降到存储器理想值4f2。

另一个拓朴材料的应用刚刚出炉。有种拓朴材料叫Weyl半金属，它的电子等效质量(effective mass)为0，所以电子的流动性极高。它也是TMD，其实二碲化钨(tungsten ditelluride；WTe2)与上述做为通道材料的WSe2结构类似，只是WSe2是半导体，WTe2是半金属，但是后者有是拓朴物质，还会在不同的应变下产生不同的相。目前发现是以太赫兹(terahertz)频率等级的镭射照射材料，可以瞬间改变材料的相。而这些不同的相有不同的能带—不同的传导性质，因此状态可以被读取—可以是0或1，或者是开或关。想象一下一个晶体管或存储器可以用比现在最快的晶体管还要快两个数量的速度来操作，如果可行的话，这是何等革命性的变化？

新材料的引入是半导体持续加值的强大动力之一，而且来得既急且快。5、6年前Bi2Se3还是科学期刊的议题，3年前就进入MRAM的实验室，产业和学术界怎能不融为一体？