挑戰(zhàn)物理極限 延續(xù)摩爾定律 臺大攜手臺積電、美國麻省理工學(xué)院跨國研究登Nature

臺灣領(lǐng)先全球的半導(dǎo)體晶片產(chǎn)業(yè)，不斷追求精密細(xì)小的極限挑戰(zhàn)。隨著矽基半導(dǎo)體已逼近物理極限時，全球科學(xué)界都在積極尋找其他的可能材料。臺大攜手臺積電、美國麻省理工學(xué)院(MIT)，研究發(fā)現(xiàn)二維材料結(jié)合半金屬鉍能達(dá)到極低的電阻，接近量子極限，有助於實現(xiàn)半導(dǎo)體1奈米以下的艱鉅挑戰(zhàn)。這項研究已於《自然》期刊(Nature)公開發(fā)表。

目前矽基半導(dǎo)體主流製程，已進(jìn)展至五奈米及三奈米節(jié)點，晶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「矽」的物理極限，晶片效能無法再逐年顯著提升。一直以來科學(xué)界對二維材料寄予厚望，卻苦於無法解決二維材料高電阻、及低電流等問題，以至於取代矽成為新興半導(dǎo)體材料一事，始終是「只聞樓梯響」。

此次由臺灣大學(xué)、臺積電與麻省理工學(xué)院(MIT)共同發(fā)表的研究，首先由美國麻省理工團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)在二維材料上搭配半金屬鉍(Bi)的電極，能大幅降低電阻並提高傳輸電流。隨後臺積電技術(shù)研究部門 (Corporate Research) 將鉍(Bi)沉積製程進(jìn)行優(yōu)化，臺大團(tuán)隊並運用氦離子束微影系統(tǒng)(Helium-ion beam lithography)將元件通道成功縮小至奈米尺寸，終於獲得這項突破性的研究成果。

臺大電機(jī)系暨光電所吳志毅教授進(jìn)一步說明，這項研究發(fā)現(xiàn)，在使用鉍為接觸電極的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)後，二維材料電晶體的效能不但與矽基半導(dǎo)體相當(dāng)，又有潛力與目前主流的矽基製程技術(shù)相容，實有助於未來突破摩爾定律的極限。雖然目前還處於研究階段，但該成果能替下世代晶片提供省電、高速等絕佳條件，未來可望投入人工智慧、電動車、疾病預(yù)測等新興科技的應(yīng)用中，民眾都能受惠。

這項跨國合作自2019年展開，合作時間長達(dá)一年半。包括臺大、臺積電、麻省理工學(xué)院等皆投入研究人力，共同為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)開創(chuàng)新路。其中，兩名主要參與研究、論文發(fā)表的年輕博士，都曾是臺大光電所碩士生。

美國麻省理工學(xué)院畢業(yè)的沈品均博士，為本論文的第一作者與通訊作者。沈品均博士表示，過去半導(dǎo)體使用三維材料，其物理特性與元件結(jié)構(gòu)發(fā)展到了三奈米節(jié)點。這次研究改用二維材料，其厚度可小於一奈米(一到三層原子厚)，更逼近固態(tài)半導(dǎo)體材料厚度的極限。而半金屬鉍的材料特性，能消除與二維半導(dǎo)體接面的能量障礙，且半金屬鉍沉積時，也不會破壞二維材料的原子結(jié)構(gòu)。

而在臺大，則由臺大電機(jī)系暨光電所吳志毅教授、周昂昇博士參與研究，分別為論文的共同作者。周昂昇博士提到，臺大團(tuán)隊於此研究中主要負(fù)責(zé)開發(fā)奈米級元件。能讓臺大和麻省理工有機(jī)會發(fā)展國際合作，臺積電和科技部支持的產(chǎn)學(xué)大聯(lián)盟計畫功不可沒。研究過程中，能和諸多頂尖學(xué)者交流；由於時差因素，雙方無論信件或電話討論，都是分秒必爭?，F(xiàn)在想起來，都是自己學(xué)術(shù)生涯中，非常寶貴的經(jīng)驗。

臺積電長期和臺大進(jìn)行產(chǎn)學(xué)合作，臺積電技術(shù)研究組織副處長暨臺積電－臺灣大學(xué)聯(lián)合研發(fā)中心副主任林春榮表示，科學(xué)研究能夠驅(qū)動產(chǎn)業(yè)發(fā)展，臺積公司多年來致力研發(fā)、推動創(chuàng)新，並持續(xù)與全球知名大學(xué)合作。此次的研究成果再次體現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)合作的重要性。

吳志毅教授最後有感而發(fā)地說，這次國際合作進(jìn)行的前瞻性研究，大學(xué)實扮演非常重要的角色。完成最後研究的氦離子束微影系統(tǒng)，現(xiàn)放置於臺大電機(jī)二館，機(jī)器設(shè)備投入資金高達(dá)數(shù)千萬元，全臺灣僅此一座，臺大由衷感謝科技部與臺積電的支持；臺大非常樂意將此次的研究成果，回饋給國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界。未來若能取得商用的突破，將有助國內(nèi)半導(dǎo)體及科技供應(yīng)鏈，繼續(xù)維持全球的領(lǐng)先地位。

Nature期刊連結(jié)：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03472-9