5月初IBM公布的2nm芯片技術路線,，讓人感到摩爾定律雖然速度放緩,，但還活著,。但2nm之后的1.5nm,、1nm等工藝,，芯片單位面積能容納的電晶體數(shù)目,，也將逼近半導體主流材料硅的物理極限,，芯片的性能也很難再進一步提升,。
在IBM官宣2nm后不到半個月,，臺灣大學,、臺積電和麻省理工（MIT）便共同發(fā)布了1nm以下芯片重大研究成果，首度提出利用半金屬鉍（Bismuth,，化學符號Bi）作為二維材料（2D materials）的接觸電極,。
鉍材料可以大幅降降低電阻并提高電流，使其效能媲美硅材料,，有助于半導體行業(yè)應對未來1nm世代的挑戰(zhàn),。這項研究成果由臺大電機系暨光電所教授吳志毅,，與臺積電和MIT研究團隊共同完成，已在國際期刊Nature上發(fā)表,。
從左至右依次為MIT沈品均博士,、臺灣大學吳志毅教授及臺灣大學周昂升博士（圖自：臺灣大學）
傳統(tǒng)三維和二維材料均無法突破摩爾定律
論文中寫道，目前硅基半導體已經(jīng)推進到5nm和3nm,，單位面積容納的晶體管數(shù)量逼近硅材料物理極限,，效能無法逐年顯著提升。盡管傳統(tǒng)的三維材料——硅,、鍺（Ge）或砷化鎵（GaAs）,、碳化硅（SiC）,、氮化鎵（GaN）等,，及基于它們的相關應用已經(jīng)較為成熟,，但更高性能的器件在大尺度、柔性,、透明,、高速、高效,、寬譜,、低功耗和低成本等方面始終有應用需求。
2004年,，半金屬材料石墨烯（Graphene）被發(fā)現(xiàn)后,，二維材料的研究火了起來。作為電學,、光電學體系中單位元件,，二維材料具備與互補金屬氧化半導體技術整合的特性，而且在高性能的場效應晶體管應用中,，依據(jù)生長方式的優(yōu)化,，遷移率能達到100cm2/Vs量級,，在溝道長度10nm以下有著超越單晶硅的優(yōu)勢,，是實現(xiàn)新型納米電子器件的關鍵。
從金屬特性的石墨烯,、絕緣體氮化硼（BN）,，到二維過渡金屬硫化物（Transitionmetal dichalcogenide family of materials， TMDs）,，二維黑磷（BP）以及范德瓦爾斯異質(zhì)結（vdWHs）……各種堆疊和排列二維材料的組合,，帶來了不少重要發(fā)現(xiàn)和技術方面的大幅提高。
然而,，二維材料雖然被業(yè)內(nèi)寄予突破摩爾定律的厚望,，卻始終無法解決其高電阻,、低電流和難以量產(chǎn)的問題。
二維二硫化鉬 + 半金屬“鉍（Bi）
此次三方合作中,，重大突破先由MIT團隊發(fā)現(xiàn)在二維材料上搭配半金屬鉍（Bi）的電極,，能大幅降低電阻并提高傳輸電流。臺積電技術研究部門則將”鉍（Bi）沉積工藝“進行優(yōu)化,，最后臺大團隊運用”氦離子束微影系統(tǒng)“ （Helium-ion Beam Lithography）將組件信道成功縮小至納米尺寸,，終于獲得突破性的研究成果。
半金屬-半導體接觸的間隙態(tài)飽和的概念（圖自：Nature）
想要馴服這種全新的半導體材料似乎并不是什么容易的事情,，自2019年開始,，三方耗時長達一年半的時間，才將鉍材料縮放至與硅晶體管相差不多的規(guī)格,。
值得一提的是,，該論文中用到的二維材料為二維二硫化鉬（Molybdenum disulfide, MoS2），是目前在納米器件領域中,，被研究得最為廣泛的二維半導體材料,。通過半金屬鉍與TMDs之間的歐姆接觸，其中MIGS被充分抑制,，TMD中的簡并態(tài)與鉍接觸形成,。通過這種方法，他們在單層MoS2上實現(xiàn)了零肖特基勢壘高度,，接觸電阻為123歐姆微米,，通態(tài)電流密度為1135微安/微米。
單層MoS2場效應晶體管中的歐姆接觸和肖特基接觸的比較（圖自：Nature）
就他們所知,，這兩個值分別是尚未記錄的最低和最高值,。他們還證明了可以在包括MoS2、WS2和WSe2在內(nèi)的各種單層半導體上形成出色的歐姆接觸,。他們報道的接觸電阻是對二維半導體的實質(zhì)性改進,，并接近量子極限。這項技術揭示了與最新的三維半導體相媲美的高性能單層晶體管的潛力,，從而可以進一步縮小器件尺寸并擴展摩爾定律,。
晶體結構和歐姆接觸的機理（圖自：Nature）
參與這次跨國研究的臺大研究團隊為臺大光電所，并由有機光電材料分析研發(fā)實驗室的吳志毅教授等人參與研究,，該實驗室的主攻項目石墨烯,、太陽能電池和OLED等材料。吳志毅教授表示,，在使用”鉍“為”接觸電極“的關鍵結構后,，二維材料晶體管的效能不但與硅基半導體相當，又有潛力與目前主流的硅基工藝技術兼容，有助于未來突破摩爾定律極限,。
雙接觸2D半導體技術的基準（圖自：Nature）
麻省理工方面主導研究的是沈品均博士,，他也是本論文的第一作者和通訊作者。他表示改用二維材料后,，可將工藝突破至1nm以下,，更接近與固態(tài)半導體材料厚度的極限。而半金屬鉍的材料特性可以消除二維材料表面的勢壘,，從而實現(xiàn)超低的接觸電阻,，而且半金屬鉍沉積時，并不會破壞二維材料的原子結構,。
神秘的鉍
神秘的鉍究竟是怎樣的一種材料呢,？其實鉍是最早被人們發(fā)現(xiàn)的10種金屬之一。印加人很早的時候就在一種特殊的青銅合金刀具中添加鉍,。
據(jù)日本化學界最有影響力的門戶綜合網(wǎng)站《化學空間》科普,，早在1450年，德國教士B?Vallentine就曾描述過鉍,。因為鉍和錫以及鉛實在是太像了,，所以在很長一段時間內(nèi)，人們經(jīng)常把鉍和鉛,、錫,、銀、銻等其他金屬搞混,。
約1546年,，德國學者格奧爾格烏斯·阿格里科拉（Georgius Agricola，被譽為”礦物學之父“）指出,，基于對金屬及其物理性質(zhì)的觀察,，鉍是一種獨特金屬。
到了1556年,，Georgius Agricola又在《論金屬》一書中提出銻和鉍是兩種獨立金屬的觀點,。
1737年，德國化學家約翰·海因里?！げㄌ兀↗ohann Heinrich Pott）用火法分析鈷礦時曾獲得一小塊樣品,，但當時并不知是何物。
1753年,，瑞典化學家和博物學家托貝恩·奧洛夫·貝格曼（Torbern Olof Bergman）確認鉍是一種化學元素,，定名為Bismuth,；同年,，法國化學家克勞德·弗朗索瓦·若弗魯瓦（Claude Fran?ois Geoffroy）經(jīng)分析研究，證明這種金屬與鉛和錫不同，是一種新元素,。
鉍的基本物理性質(zhì)（圖自：化學空間）
鉍的拉丁名稱Bismuthum來源于德語中的Wismuth （白色物質(zhì)）,。但其實金屬鉍并非是完全的銀白色，它的單質(zhì)由于表面氧化會出現(xiàn)彩虹色的光澤,，這是由于晶體表面厚度不一的氧化膜所造成的,，它會導致光的干涉。
而鉍也是具有最高抗磁性的金屬,，同時也具有很高的霍爾系數(shù)和電阻率,。當鉍的厚度降低到納米量級時，它會由金屬轉(zhuǎn)化為半導體,。這些特性也另其化合物可以是半導體,、拓撲絕緣體，還可以是超導體,，這些材料在電子工業(yè)都扮演著非常重要的角色,。
鉍的化合物主要用于制造溫差致冷組件、高速集成電路,、參量放大器,、離子雪崩光控二極管、光導攝像顯像管等等,。例如：BiSbTe3可作為溫差電器組件用于太陽能電池,；Bi2Te3是一種性質(zhì)優(yōu)異的熱電材料，它可以用于制造低溫溫差電源,；BiAgS2用于制造半導體器件,；Bi2O3等氧化物薄膜材料可作導電涂層。Bi2S3主要用于制造光電自動設備中的光電阻,，增大可見光譜區(qū)域內(nèi)光譜的靈敏度,。
據(jù)《化學空間》報道，近年來研究人員發(fā)現(xiàn)了一種性質(zhì)迥異的新材料——拓撲絕緣體,，它指的是內(nèi)部絕緣,，界面允許電荷移動的材料。在拓撲絕緣體的內(nèi)部,，電子能帶結構和常規(guī)的絕緣體相似,，其費米能級位于導帶和價帶之間。在拓撲絕緣體的表面存在一些特殊的量子態(tài),，這些量子態(tài)位于塊體能帶結構的帶隙之中,，從而允許導電。這類材料由于其特殊的性質(zhì),，在電子,、光學等領域具有非常重要的潛在價值,。鉍的許多化合物，如Bi2Se3,， Sb2Te3,， Bi2Te3等都可以制成拓撲絕緣體的結構，因此備受關注,。
高度n型摻雜的拓撲絕緣體Bi2Se3能帶結構
產(chǎn)學研結合,，多方式突破1nm
從本次技術突破也可以看出，臺積電在產(chǎn)學研上的巨大投入,，其產(chǎn)學大聯(lián)盟計劃聯(lián)合了多所著名高校,，鉆研半導體技術。比如2021年3月,，臺積電與臺灣交通大學聯(lián)合研制的最薄氮化硼二維絕緣材料,，該材料同樣可以用于1nm工藝的突破。
吳志毅教授也表達了對臺積電的感謝,，他表示,，”參與研究的氦離子束微影系統(tǒng)，投資額高達數(shù)千萬新臺幣,；機器現(xiàn)放置于臺大電機二館,，目前臺灣全島僅此一座?！?/p>
本次1nm研究用到的氦離子束微影系統(tǒng),，將組件信道縮小至納米尺寸。（圖自：臺灣大學）
二維材料厚度可小于1nm,，相當于一至三層原子,，逼近固態(tài)半導體材料厚度的極限。相關成果如能落地,，將為下一世代芯片提供省電,、高速等絕佳條件，日后有望應用于人工智能,、電動車,、疾病預測等新興科技上。
二維材料厚度小于1納米,，相當于一到三層原子,。（圖自：臺灣大學）
小結
這次1nm技術上的突破，也給我國半導體的發(fā)展帶來了新的思路——新的材料能否逐步替代目前的硅基電子學,？二維材料中的過渡族金屬硫化物貌似是一個不錯的方向,。
在此前的國家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設領導小組第十八次會議上，中共中央政治局委員,、國務院副總理,、國家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設領導小組組長劉鶴主持會議,，討論了面向后摩爾時代的集成電路潛在顛覆性技術。
1965年,，時任仙童半導體的工程師摩爾預言了集成電路發(fā)展的趨勢,，后經(jīng)修正,，就是大名鼎鼎的摩爾定律,。近50年來，”摩爾定律“一直被半導體行業(yè)奉為金科玉律,。然而近年來隨著芯片工藝不斷演進,，硅的工藝發(fā)展趨近于其物理極限，晶體管數(shù)目增加逐步放緩,。
因此,，”后摩爾時代“概念隨之而出。后發(fā)者——如中國,，若能提前識別并做出前瞻性布局,，完全存在換道超車的可能性。
復旦大學教授周鵬在接受媒體采訪時認為：”這項新技術的突破,，將解決二維半導體進入產(chǎn)業(yè)界的主要問題,，是集成電路能在后摩爾時代繼續(xù)前進的重要技術。二維半導體已被國際主要前沿集成電路研發(fā)機構重金投入,，不管是在工藝突破還是新器件結構及設計制造方面,，我國在新一代集成電路關鍵技術上與國際機構形成競爭互補關系?！?/p>
芯謀研究首席分析師顧文軍也表示：”后摩爾時代有三個方面值得研究,，一個是新材料，每一次新技術發(fā)展材料都是非常重要的,，現(xiàn)在是硅基,，以后可能是碳基；第二是架構上的創(chuàng)新,；第三,，制造封裝端，比如Chiplet（芯粒）等都是值得研究的,?！?/p>
在新材料方面，北京半導體行業(yè)協(xié)會副秘書長朱晶認為,，通過全新物理機制實現(xiàn)全新的邏輯,、存儲及互聯(lián)概念和器件，推動半導體產(chǎn)業(yè)的革新,。例如,，拓撲絕緣體,、二維超導材料等能夠?qū)崿F(xiàn)無損耗的電子和自旋輸運，可以成為全新的高性能邏輯和互聯(lián)器件的基礎,。
