台积电再度突破半导体材料限制，离1nm又进一步

随着硅基半导体不管逼近物理极限，业界都在寻求其他的替代材料。而近日台湾大学联手台积电、美国麻省理工学院的研究，发现了二维材料结合半金属铋可以实现极低的接触电阻，接近量子极限，并将这一研究发现发表于自然期刊，这对于1nm以下的半导体制程来说是一次巨大的突破。

当前主流半导体制程已经发展至3nm和5nm，乃至IBM也在近期推出了2nm，但单位面积内所能容纳的晶体管数目也已经逼近硅的物理极限，虽说制程突破受制于生产设备，却也有半导体材料的因素在其中。

石墨烯等二维材料自发现以来被视为下一代半导体的材料，但多数二维材料却因为高电阻与低电流的限制，一直无法取代硅基半导体。而麻省理工团队首先发现二维材料与半金属铋结合可以有效降低电阻，提升电流的传输效率。台积电技术研究部门随后对铋沉积制程进行了优化，最后台大团队利用造价数千万的氦离子束微影系统将元件通道成功缩小至纳米级，才得出这一研究成果。

半金属铋与二维材料结合的的各项参数 / Nature

值得一提的是，该论文中用到的二维材料为该二硫化钼（MoS2），通过与半金属铋结合，其接触电阻已经达到123欧姆微米。

跨国研究团队部分成员，从左至右为沈品均博士（MIT）、吴志毅教授（台大）、周昂昇博士（台大） / 台湾大学

这次跨国合作从2019年开展，时长达一年半。参与这次跨国研究的台大研究团队为台大光电所，并由有机光电材料分析研发实验室的吴志毅教授等人参与研究，该实验室的主攻项目石墨烯、太阳能电池和OLED等材料。吴志毅提到，使用铋作为金属电极的关键结构后，二维材料的晶体管效能可以媲美硅基半导体，而且可以与目前的主流硅基制程技术兼容，有助于实现摩尔定律的突破。虽然目前尚处于研究阶段，但其提供的省电和高速等特性，都是非常具有潜力的。

麻省理工方面主导研究的是沈品均博士，他也是本论文的第一作者和通讯作者。他表示改用二维材料后，可将制程突破至1nm以下，更接近与固态半导体材料厚度的极限。而半金属铋的材料特性可以消除二维材料表面的势垒，从而实现超低的接触电阻，而且半金属铋沉积时，并不会破坏二维材料的原子结构。

从这次突破可以看出，台积电对产学研上的投入有多大，其产学大联盟计划联合了多所著名高校，钻研半导体技术。比如今年3月份台积电与台湾交通大学联合研制的最薄氮化硼二维绝缘材料，该材料同样可以用于1nm制程的突破。

本文资料来自台大焦点报道、Nature，本文整理发布。