導(dǎo)讀：近日，美國《自然》雜志公布了由臺(tái)積電、臺(tái)灣大學(xué)與麻省理工學(xué)院共同研發(fā)的半導(dǎo)體新材料——鉍（Bi），有望成為突破摩爾定律1nm極限的新材料。

  

圖：《自然》網(wǎng)站刊載的文章

由上述三方研發(fā)的這項(xiàng)研究成果已在《Nature》期刊上發(fā)布，首度提出利用半金屬鉍（Bi）作為二維材料的接觸電極，可大幅降低電阻并提高電流，使其效能幾與硅一致，有助實(shí)現(xiàn)未來半導(dǎo)體1nm的制程。

而這項(xiàng)成果的發(fā)布，距離IBM秀出2nm芯片還不到半個(gè)月。

  

圖：量子隧穿效應(yīng)示意圖

值得一提的是，半導(dǎo)體硅基材料芯片的制程工藝指標(biāo)，在1997年之后就開始有些“變味兒”了：1999年奔騰III時(shí)期的250nm工藝，已經(jīng)不再適用「晶體管gate長度」定義。

美國英特爾x86架構(gòu)7nm芯片深陷“難產(chǎn)”大坑，但真正量產(chǎn)后有望“搏一下”臺(tái)積電的5nm制程；臺(tái)積電嘗試以“鉍”材料推進(jìn)1nm技術(shù)，則在直面“量子隧穿效應(yīng)”問題（業(yè)內(nèi)俗稱“漏電”）！

據(jù)報(bào)道，此項(xiàng)技術(shù)融合了多方智慧的結(jié)晶。

  

圖：臺(tái)積電和臺(tái)灣大學(xué)團(tuán)隊(duì)

據(jù)悉，MIT團(tuán)隊(duì)首先發(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。

隨后臺(tái)積電技術(shù)研究部門將鉍（Bi）沉積制程進(jìn)行優(yōu)化，臺(tái)灣大學(xué)團(tuán)隊(duì)并運(yùn)用氦離子束微影系統(tǒng)將元件通道成功縮小至納米尺寸，最終這項(xiàng)研究成果獲得了突破性的進(jìn)展。

  

圖：大部分半導(dǎo)體采用硅材料

目前，半導(dǎo)體主流制程主要采用硅作為主流材料。然而，隨著摩爾定律不斷延伸，芯片制程不斷縮小，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。

盡管科學(xué)界對(duì)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，以至于取代硅成為新興半導(dǎo)體材料始終是空中樓閣。可見，此次利用半金屬鉍（Bi）作為二維材料的接觸電極可謂是邁向1nm甚至更先進(jìn)制程的關(guān)鍵一步。

  

圖：金屬鉍的結(jié)晶

對(duì)此，復(fù)旦大學(xué)教授周鵬認(rèn)為，此項(xiàng)技術(shù)的突破，也給我國半導(dǎo)體的發(fā)展帶來了新的思路。

“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。”

接下來，鉍（Bi）將面臨能否取代硅的最關(guān)鍵一步——進(jìn)行先進(jìn)制程研發(fā)和制造的產(chǎn)業(yè)化，決定了臺(tái)積電在IBM、三星的挑戰(zhàn)下，能否繼續(xù)引領(lǐng)半導(dǎo)體制造。