當「硅」達到物理極限，該怎么解？

這一困惑科學界的難題，近日就由「北大才女」孔靜教授領導的一支國際聯(lián)合攻關團隊「破解」！

他們成功攻克了半導體領域的二維材料的連接難題，研發(fā)出半導體新材料——半金屬鉍（Bi）。

這項成果將使晶圓的先進制程從納米級，微觀到「原子級」。

新大陸「鉍」的發(fā)現(xiàn)者，攻克半導體「2D」材料連接難題

目前硅基半導體已經(jīng)推進到5nm和3nm，IBM也剛剛宣布了突破2nm的「PPT 工藝」。

不過，2nm之后就是1.5nm、1nm。

單位面積容納的晶體管數(shù)量，逐漸逼近硅材料物理極限，但是效能無法逐年顯著提升。

幾十年來，半導體行業(yè)進步的背后存在著一條金科玉律，即「摩爾定律」。

摩爾定律表明：每隔 18~24 個月，封裝在微芯片上的晶體管數(shù)量便會增加一倍，芯片的性能也會隨之翻一番。

然而，硅片觸及物理極限，除非找到新的方法，否則這些限制可能會使幾十年的進展停滯不前。

盡管科學界對二維材料寄予厚望，卻苦于無法解決二維材料高電阻、低電流等問題。

現(xiàn)在，麻省理工學院（MIT）的孔靜教授領導的國際聯(lián)合攻關團隊探索了一個新的方向：使用原子級薄材料鉍（Bi）代替硅，有效地將這些2D材料連接到其他芯片元件上。

這項最新研究「Ultralow contact resistance between semimetal and monolayer semiconductors」已發(fā)表在Nature期刊上。

孔靜教授是項目的領導者，研究方向制定者并設計了實驗，參與論文撰寫。

其實這項研究是MIT、臺大、臺積電共同「合力」的成果。自2019年，這三個機構便展開了長達1年半的跨國合作。

這個重大突破先由孔靜教授領導的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）沉積制程」進行優(yōu)化。

最后，臺大團隊運用「氦離子束微影系統(tǒng)」將元件通道成功縮小至納米尺寸，終于獲得突破性的研究成果。

Bi 給「摩爾定律」續(xù)命？

鉍（Bi）是一種有望突破摩爾定律1nm極限的新材料！

這種材料被作為二維材料的接觸電極，可以大幅度降低電阻并且提升電流，從而使其能效和硅一樣，實現(xiàn)未來半導體1nm工藝的新制程！

未來，「原子級」薄材料是硅基晶體管的一種有前途的替代品。

研究人員表示，他們解決了半導體設備小型化的最大問題之一，即金屬電極和單層半導體材料之間的接觸電阻，該解決方案被證明非常簡單，

即使用一種半金屬，即鉍元素（Bi），來代替普通金屬與單層材料連接。

這種超薄單層材料，在這種情況下是二硫化鉬，被認為是繞過硅基晶體管技術現(xiàn)在遇到的小型化限制的主要競爭者。

金屬和半導體材料（包括這些單層半導體）之間的界面產(chǎn)生了一種叫做金屬誘導的間隙(MIGS)狀態(tài)現(xiàn)象，這導致了肖特基屏障的形成，這種現(xiàn)象抑制了電荷載體的流動。

使用一種半金屬，其電子特性介于金屬和半導體之間，再加上兩種材料之間適當?shù)哪芰颗帕?，結果是消除了這個問題。

研究人員通過這項技術，展示了具有非凡性能的微型化晶體管，滿足了未來晶體管和微芯片技術路線圖的要求。

「至少在不久的將來，這可能足以擴展摩爾定律?！?/span>

臺大電機系暨光電所吳志毅教授表示，在使用「鉍（Bi）」為「接觸電極」的關鍵結構后，二維材料電晶體的效能，不但與「硅基半導體」相當，又有潛力與目前主流的硅基制程技術相容，有助于未來突破「摩爾定律」極限。

「北大才女」孔靜

孔靜教授目前是MIT電子工程和計算機科學系教授，同時也是電子研究實驗室（Research Laboratory of Electronics，RLE) 學術帶頭人。

她于1997年獲得北京大學化學學士學位，2002年獲得斯坦福大學化學博士學位。

從2002年到2003年，她是美國國家航空航天局埃姆斯研究中心的研究科學家;

從2003年到2004年，她是代爾夫特大學的博士后;

她于2004年加入麻省理工學院電子工程和計算機科學系。

在她的小組研究活動包括CVD合成，石墨烯的特性和相關的二維材料，其電子和光學特性的研究和應用。

孔靜教授的研究興趣集中在將單個碳納米管的合成和制造結合起來，并將其集成到電路中的相關問題。研究應用包括使用碳納米管作為極其敏感的化學傳感器來檢測有毒氣體。

孔靜教授是美國化學學會，美國物理學會和材料研究學會的成員。她在2001年獲得了2001年納米技術前瞻性杰出學生獎，在2002年獲得了斯坦福大學物理化學年度評論獎，并在2005年獲得了MIT 3M獎。

參考資料：

https://www.eecs.mit.edu/people/faculty/jing-konghttps://www.rle.mit.edu/people/directory/jing-kong/
https://m.toutiao.com/is/ePSDBum/https://www.eet-china.com/kj/63360.htmlhttps://www.cnbeta.com/articles/science/1130561.htm

來源：新智元