5月初IBM公布的2nm芯片技術(shù)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(dǎo)體主流材料硅的物理極限，芯片的性能也很難再進(jìn)一步提升。
在IBM官宣2nm后不到半個(gè)月，臺灣大學(xué)、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(xué)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(dǎo)體行業(yè)應(yīng)對未來1nm世代的挑戰(zhàn)。這項(xiàng)研究成果由臺大電機(jī)系暨光電所教授吳志毅，與臺積電和MIT研究團(tuán)隊(duì)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(xué)吳志毅教授及臺灣大學(xué)周昂升博士（圖自：臺灣大學(xué)）
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(dǎo)體已經(jīng)推進(jìn)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(guān)應(yīng)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(yīng)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(xué)、光電學(xué)體系中單位元件，二維材料具備與互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體技術(shù)整合的特性，而且在高性能的場效應(yīng)晶體管應(yīng)用中，依據(jù)生長方式的優(yōu)化，遷移率能達(dá)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(shí)現(xiàn)新型納米電子器件的關(guān)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(jié)（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(shù)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(tuán)隊(duì)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(shù)研究部門則將”鉍（Bi）沉積工藝“進(jìn)行優(yōu)化，最后臺大團(tuán)隊(duì)運(yùn)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(dǎo)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(dǎo)體材料似乎并不是什么容易的事情，自2019年開始，三方耗時(shí)長達(dá)一年半的時(shí)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(lǐng)域中，被研究得最為廣泛的二維半導(dǎo)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(shí)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(yīng)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(gè)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(dǎo)體上形成出色的歐姆接觸。他們報(bào)道的接觸電阻是對二維半導(dǎo)體的實(shí)質(zhì)性改進(jìn)，并接近量子極限。這項(xiàng)技術(shù)揭示了與最新的三維半導(dǎo)體相媲美的高性能單層晶體管的潛力，從而可以進(jìn)一步縮小器件尺寸并擴(kuò)展摩爾定律。
晶體結(jié)構(gòu)和歐姆接觸的機(jī)理（圖自：Nature）
參與這次跨國研究的臺大研究團(tuán)隊(duì)為臺大光電所，并由有機(jī)光電材料分析研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的吳志毅教授等人參與研究，該實(shí)驗(yàn)室的主攻項(xiàng)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)后，二維材料晶體管的效能不但與硅基半導(dǎo)體相當(dāng)，又有潛力與目前主流的硅基工藝技術(shù)兼容，有助于未來突破摩爾定律極限。
雙接觸2D半導(dǎo)體技術(shù)的基準(zhǔn)（圖自：Nature）
麻省理工方面主導(dǎo)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)超低的接觸電阻，而且半金屬鉍沉積時(shí)，并不會破壞二維材料的原子結(jié)構(gòu)。
神秘的鉍
神秘的鉍究竟是怎樣的一種材料呢？其實(shí)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(shí)候就在一種特殊的青銅合金刀具中添加鉍。
據(jù)日本化學(xué)界最有影響力的門戶綜合網(wǎng)站《化學(xué)空間》科普，早在1450年，德國教士B?Vallentine就曾描述過鉍。因?yàn)殂G和錫以及鉛實(shí)在是太像了，所以在很長一段時(shí)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(xué)者格奧爾格烏斯·阿格里科拉（Georgius Agricola，被譽(yù)為”礦物學(xué)之父“）指出，基于對金屬及其物理性質(zhì)的觀察，鉍是一種獨(dú)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(dú)立金屬的觀點(diǎn)。
1737年，德國化學(xué)家約翰·海因里希·波特（Johann Heinrich Pott）用火法分析鈷礦時(shí)曾獲得一小塊樣品，但當(dāng)時(shí)并不知是何物。
1753年，瑞典化學(xué)家和博物學(xué)家托貝恩·奧洛夫·貝格曼（Torbern Olof Bergman）確認(rèn)鉍是一種化學(xué)元素，定名為Bismuth；同年，法國化學(xué)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(xué)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(shí)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(dǎo)致光的干涉。
而鉍也是具有最高抗磁性的金屬，同時(shí)也具有很高的霍爾系數(shù)和電阻率。當(dāng)鉍的厚度降低到納米量級時(shí)，它會由金屬轉(zhuǎn)化為半導(dǎo)體。這些特性也另其化合物可以是半導(dǎo)體、拓?fù)浣^緣體，還可以是超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體器件；Bi2O3等氧化物薄膜材料可作導(dǎo)電涂層。Bi2S3主要用于制造光電自動設(shè)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(xué)空間》報(bào)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?fù)浣^緣體，它指的是內(nèi)部絕緣，界面允許電荷移動的材料。在拓?fù)浣^緣體的內(nèi)部，電子能帶結(jié)構(gòu)和常規(guī)的絕緣體相似，其費(fèi)米能級位于導(dǎo)帶和價(jià)帶之間。在拓?fù)浣^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(jié)構(gòu)的帶隙之中，從而允許導(dǎo)電。這類材料由于其特殊的性質(zhì)，在電子、光學(xué)等領(lǐng)域具有非常重要的潛在價(jià)值。鉍的許多化合物，如Bi2Se3， Sb2Te3， Bi2Te3等都可以制成拓?fù)浣^緣體的結(jié)構(gòu)，因此備受關(guān)注。
高度n型摻雜的拓?fù)浣^緣體Bi2Se3能帶結(jié)構(gòu)
產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，多方式突破1nm
從本次技術(shù)突破也可以看出，臺積電在產(chǎn)學(xué)研上的巨大投入，其產(chǎn)學(xué)大聯(lián)盟計(jì)劃聯(lián)合了多所著名高校，鉆研半導(dǎo)體技術(shù)。比如2021年3月，臺積電與臺灣交通大學(xué)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(dá)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(dá)數(shù)千萬新臺幣；機(jī)器現(xiàn)放置于臺大電機(jī)二館，目前臺灣全島僅此一座。“
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(xué)）
二維材料厚度可小于1nm，相當(dāng)于一至三層原子，逼近固態(tài)半導(dǎo)體材料厚度的極限。相關(guān)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(yīng)用于人工智能、電動車、疾病預(yù)測等新興科技上。
二維材料厚度小于1納米，相當(dāng)于一到三層原子。（圖自：臺灣大學(xué)）
小結(jié)
這次1nm技術(shù)上的突破，也給我國半導(dǎo)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(xué)？二維材料中的過渡族金屬硫化物貌似是一個(gè)不錯(cuò)的方向。
在此前的國家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組第十八次會議上，中共中央政治局委員、國務(wù)院副總理、國家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組組長劉鶴主持會議，討論了面向后摩爾時(shí)代的集成電路潛在顛覆性技術(shù)。
1965年，時(shí)任仙童半導(dǎo)體的工程師摩爾預(yù)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(dǎo)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(jìn)，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(shí)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(fù)旦大學(xué)教授周鵬在接受媒體采訪時(shí)認(rèn)為：”這項(xiàng)新技術(shù)的突破，將解決二維半導(dǎo)體進(jìn)入產(chǎn)業(yè)界的主要問題，是集成電路能在后摩爾時(shí)代繼續(xù)前進(jìn)的重要技術(shù)。二維半導(dǎo)體已被國際主要前沿集成電路研發(fā)機(jī)構(gòu)重金投入，不管是在工藝突破還是新器件結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)制造方面，我國在新一代集成電路關(guān)鍵技術(shù)上與國際機(jī)構(gòu)形成競爭互補(bǔ)關(guān)系。“
芯謀研究首席分析師顧文軍也表示：”后摩爾時(shí)代有三個(gè)方面值得研究，一個(gè)是新材料，每一次新技術(shù)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(gòu)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。“
在新材料方面，北京半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會副秘書長朱晶認(rèn)為，通過全新物理機(jī)制實(shí)現(xiàn)全新的邏輯、存儲及互聯(lián)概念和器件，推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的革新。例如，拓?fù)浣^緣體、二維超導(dǎo)材料等能夠?qū)崿F(xiàn)無損耗的電子和自旋輸運(yùn)，可以成為全新的高性能邏輯和互聯(lián)器件的基礎(chǔ)。
