1 奈米製程有新突破!台大攜台積電、MIT 研發二維材料+鉍超越矽極限

作者 | 發布日期 2021 年 05 月 17 日 10:15 | 分類 奈米 , 晶圓 , 晶片 Telegram share ! follow us in feedly


半導體產業持續朝先進製程邁進,不斷追求精密細小的極限挑戰,以延續摩爾定律。為此,台大攜手台積電、美國麻省理工學院(MIT),研究發現二維材料結合半金屬鉍(Bi)能達到極低的電阻,接近量子極限,有助於實現半導體 1 奈米以下的艱鉅挑戰;且這項研究已於「自然期刊(Nature)」公開發表。

目前矽基半導體主流製程,已進展至 5 奈米及 3 奈米節點,晶片單位面積能容納的電晶體數目,也將逼近半導體主流材料「矽」的物理極限,晶片效能無法再逐年顯著提升。

因此,隨著矽基半導體已逼近物理極限時,全球科學界都在積極尋找其他的可能材料;而一直以來科學界都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體材料一事,始終是「只聞樓梯響」。

為此,台大聯手台積電、MIT 共同研究,首先由 MIT 團隊發現在二維材料搭配半金屬鉍的電極,能大幅降低電阻並提高傳輸電流;隨後台積電技術研究部門(Corporate Research)將鉍沉積製程進行優化,台大團隊並運用氦離子束微影系統(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。

這項跨國合作自 2019 年展開,合作時間長達一年半,包括台大、台積電、麻省理工學院等皆投入研究人力,共同為半導體產業開創新路。

台大電機系暨光電所吳志毅教授說明,這項研究發現,在使用鉍為接觸電極的關鍵結構後,二維材料電晶體的效能不但與矽基半導體相當,又有潛力與目前主流的矽基製程技術相容,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、疾病預測等新興科技的應用中,民眾都能受惠。

博士沈品均則指出,過去半導體使用三維材料,物理特性與元件結構發展到 3 奈米節點,這次研究改用二維材料,厚度可小於 1 奈米(1~3 層原子厚),更逼近固態半導體材料厚度的極限。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構。

(首圖來源:台大