長庚與台日團隊做出二維硼碳氮 2吋晶圓如何補上晶片材料缺口?
(媒角抵加/林承志綜合報導)厚度約0.5奈米的單層材料,能為未來晶片帶來什麼?長庚大學、東京大學、台灣大學及中央研究院等機構參與的研究顯示,團隊在2吋基板上製備硼碳氮(BCN),做出以電洞傳導的p型電晶體。這項9月底發表於《Nature》的成果,替二維材料打造互補電路補上一塊拼圖;能否整合進產線,仍有製程與量產問題要解決。
關鍵資訊
- 研究成果:在2吋尺度製備單層硼碳氮材料,並製作p型電晶體。
- 核心挑戰:讓適合電洞傳導的二維材料,同時具備較佳電性與較大面積的製備能力。
- 實驗數據:東京大學說明,研究評估3次生長批次製作的224個元件;代表元件在室溫下的電洞遷移率約為100平方公分/伏特秒。
- 目前階段:材料與電晶體研究;低溫生長、互補電路整合及量產製程仍待研究。
台日團隊如何合作?
這項研究的《Nature》論文已於2026年9月30日線上發表。依台灣大學說明,研究由台大周苡嘉團隊、東京大學童俊智團隊及中研院包淳偉團隊共同領導,參與機構也包括長庚大學、陽明交大等。
二維半導體為什麼需要p型材料?
晶片裡的電晶體像可受電壓控制的微小開關。常見的互補式金屬氧化物半導體電路,也就是CMOS,會搭配n型和p型電晶體:前者以電子傳輸為主,後者則以電洞傳輸為主。電洞可以理解為電子空出的位置在材料中移動時,呈現出的正電荷載流效果。
東京大學研究說明指出,二維材料可以薄到只有一層或數層原子,對縮小電晶體與堆疊電路有研究價值;但在高效能n型二維材料取得進展之際,兼具良好傳輸性能與大面積製備能力的p型材料仍相對稀少。若要製作互補電路,兩種類型的元件都需要有合適材料與製程配合。
碳融入氮化硼晶格,製成2吋薄膜
硼碳氮由硼、碳、氮組成。團隊選擇以單層氮化硼的原子排列為基礎,讓部分碳原子進入晶格,改變材料的電子狀態,使其呈現p型半導體特性。台大說明指出,研究也透過電子顯微鏡、光譜及理論計算,分析原子排列與導電特性之間的關係。
要在較大面積做出這層薄膜,關鍵是控制原料如何反應。東京大學指出,研究以單甲基胺硼烷(MMAB)和氨硼烷(AB)兩種前驅物,在銅表面進行低壓化學氣相成長,調整含碳物質與硼、氮的供應和反應時序,減少碳聚集成另一類碳材料的情況,讓碳有機會進入氮化硼晶格。
研究人員接著取得2吋尺度的連續單層薄膜。東京大學表示,量到的薄膜階差高度約為0.5奈米;奈米是十億分之一公尺。這個數字描述的是研究材料的厚度,不是晶片製程節點名稱,也不是整顆晶片只有0.5奈米厚。
224個元件測了什麼?
研究不只製備材料,也把薄膜轉移到絕緣層上製作電晶體。依東京大學的元件說明,一個通道長度1微米、寬度5微米的代表元件,在室溫下展現p型動作,電洞場效應遷移率約100平方公分/伏特秒,開啟與關閉狀態的電流比約為1億比1。
遷移率可理解為用來描述載流子在材料中移動容易程度的指標;開關電流比則呈現元件導通與關閉時的電流差距。兩者都與元件結構及測試條件有關;未來手機或AI晶片的速度與耗電量,還取決於電路和系統設計。
東京大學也表示,團隊取自3次材料生長批次,在2吋晶圓不同位置評估224個元件,檢查元件與批次之間的特性分布。對製程研究而言,這有助於觀察材料是否能在較大範圍維持表現;接下來仍要看更多製程條件與整合測試。
《Nature》10月14日發布作者更正:論文圖5d原先的縱軸電流單位標示有誤,已由每微米安培修正為每微米毫安培,期刊表示HTML與PDF版本已更新。引用相關圖表時,應以更正後單位為準。
距離實際晶片還有什麼步驟?
這項成果目前呈現的是單層材料和p型電晶體的實驗表現;用於完整晶片,還涉及材料轉移、不同材料接合、製程溫度與大規模製造等問題。
東京大學列出的後續工作包括降低成長溫度、進一步釐清材料組成與載流特性的關係,並與n型二維半導體結合成互補電路,再探索量產製程。以二硫化鉬等n型材料搭配BCN,是研究團隊提出的發展方向;實際能否形成穩定、可製造的電路,仍待後續實驗驗證。
資料來源與更新紀錄
- 《Nature》:晶圓尺度高遷移率p型硼碳氮研究,2026年9月30日。
- 《Nature》作者更正:圖5d電流單位,2026年10月14日。
- 東京大學工學系:二維硼碳氮研究與測試說明,2026年10月1日。
- 台灣大學:跨國團隊二維材料研究,2026年10月14日。
- 2026年11月3日:建立稿件。
長庚大學與台日團隊如何製備二維硼碳氮材料?
長庚大學、東京大學、台灣大學及中央研究院等機構組成的研究團隊,在2吋基板上成功製備出單層硼碳氮(BCN)材料,並以此製作出以電洞傳導的p型電晶體。此研究透過單甲基胺硼烷(MMAB)和氨硼烷(AB)兩種前驅物,在銅表面進行低壓化學氣相成長,藉由調整含碳物質與硼、氮的供應及反應時序,成功讓碳原子進入氮化硼晶格,形成厚度約0.5奈米的連續單層薄膜。研究成果已於2026年9月30日發表於《Nature》期刊,為二維材料打造互補電路補上關鍵一塊拼圖。
硼碳氮材料的電洞遷移率和開關電流比是多少?
研究顯示,製作出的p型電晶體在室溫下的電洞遷移率約為100平方公分/伏特秒,開啟與關閉狀態的電流比約為1億比1。這些數據是評估元件性能的重要指標。
二維半導體為何需要p型材料?
晶片中的電晶體如同微小開關,常見的CMOS電路需要n型和p型電晶體搭配使用。n型電晶體以電子傳輸為主,p型電晶體則以電洞傳輸為主。目前高效能的n型二維材料已有進展,但兼具良好傳輸性能與大面積製備能力的p型材料仍相對稀少,因此p型材料的開發對製作互補電路至關重要。
這項研究距離實際應用還有哪些挑戰?
儘管研究成功製備出2吋尺寸的硼碳氮薄膜並製作出p型電晶體,但要整合進實際產線仍面臨製程與量產問題。低溫生長、互補電路整合及大規模量產製程仍是未來需要進一步研究的方向。