隨著硅基半導體不管逼近物理極限，業界都在尋求其他的替代材料。而近日臺灣大學聯手臺積電、美國麻省理工學院的研究，發現了二維材料結合半金屬鉍可以實現極低的接觸電阻，接近量子極限，并將這一研究發現發表于自然期刊，這對于1nm以下的半導體制程來說是一次巨大的突破。

當前主流半導體制程已經發展至3nm和5nm，乃至IBM也在近期推出了2nm，但單位面積內所能容納的晶體管數目也已經逼近硅的物理極限，雖說制程突破受制于生產設備，卻也有半導體材料的因素在其中。

石墨烯等二維材料自發現以來被視為下一代半導體的材料，但多數二維材料卻因為高電阻與低電流的限制，一直無法取代硅基半導體。而麻省理工團隊首先發現二維材料與半金屬鉍結合可以有效降低電阻，提升電流的傳輸效率。臺積電技術研究部門隨后對鉍沉積制程進行了優化，最后臺大團隊利用造價數千萬的氦離子束微影系統將元件通道成功縮小至納米級，才得出這一研究成果。

半金屬鉍與二維材料結合的的各項參數 / Nature

值得一提的是，該論文中用到的二維材料為該二硫化鉬（MoS2），通過與半金屬鉍結合，其接觸電阻已經達到123歐姆微米。

跨國研究團隊部分成員，從左至右為沈品均博士（MIT）、吳志毅教授（臺大）、周昂昇博士（臺大） / 臺灣大學

這次跨國合作從2019年開展，時長達一年半。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。吳志毅提到，使用鉍作為金屬電極的關鍵結構后，二維材料的晶體管效能可以媲美硅基半導體，而且可以與目前的主流硅基制程技術兼容，有助于實現摩爾定律的突破。雖然目前尚處于研究階段，但其提供的省電和高速等特性，都是非常具有潛力的。

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，可將制程突破至1nm以下，更接近與固態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。

從這次突破可以看出，臺積電對產學研上的投入有多大，其產學大聯盟計劃聯合了多所著名高校，鉆研半導體技術。比如今年3月份臺積電與臺灣交通大學聯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制程的突破。

本文資料來自臺大焦點報道、Nature，本文整理發布。