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當「硅」達到物理極限，該怎么解？
這一困惑科學(xué)界的難題，近日就由「北大才女」孔靜教授領(lǐng)導的一支國際聯(lián)合攻關(guān)團隊「破解」！
他們成功攻克了半導體領(lǐng)域的二維材料的連接難題，研發(fā)出半導體新材料——半金屬鉍（Bi）。
這項成果將使晶圓的先進(jìn)制程從納米級，微觀(guān)到「原子級」。
新大陸「鉍」的發(fā)現者，攻克半導體「2D」材料連接難題
目前硅基半導體已經(jīng)推進(jìn)到5nm和3nm，IBM也剛剛宣布了突破2nm的「PPT 工藝」。
不過(guò)，2nm之后就是1.5nm、1nm。
單位面積容納的晶體管數量，逐漸逼近硅材料物理極限，但是效能無(wú)法逐年顯著(zhù)提升。
幾十年來(lái)，半導體行業(yè)進(jìn)步的背后存在著(zhù)一條金科玉律，即「摩爾定律」。
摩爾定律表明：每隔 18~24 個(gè)月，封裝在微芯片上的晶體管數量便會(huì )增加一倍，芯片的性能也會(huì )隨之翻一番。
然而，硅片觸及物理極限，除非找到新的方法，否則這些限制可能會(huì )使幾十年的進(jìn)展停滯不前。
盡管科學(xué)界對二維材料寄予厚望，卻苦于無(wú)法解決二維材料高電阻、低電流等問(wèn)題。
現在，麻省理工學(xué)院（MIT）的孔靜教授領(lǐng)導的國際聯(lián)合攻關(guān)團隊探索了一個(gè)新的方向：使用原子級薄材料鉍（Bi）代替硅，有效地將這些2D材料連接到其他芯片元件上。
這項最新研究「Ultralow contact resistance between semimetal and monolayer semiconductors」已發(fā)表在Nature期刊上。
孔靜教授是項目的領(lǐng)導者，研究方向制定者并設計了實(shí)驗，參與論文撰寫(xiě)。
論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03472-9
其實(shí)這項研究是MIT、臺大、臺積電共同「合力」的成果。自2019年，這三個(gè)機構便展開(kāi)了長(cháng)達1年半的跨國合作。
這個(gè)重大突破先由孔靜教授領(lǐng)導的MIT團隊「發(fā)現」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(mén)則將「鉍（Bi）沉積制程」進(jìn)行優(yōu)化。
最后，臺大團隊運用「氦離子束微影系統」將元件通道成功縮小至納米尺寸，終于獲得突破性的研究成果。
Bi 給「摩爾定律」續命？
鉍（Bi）是一種有望突破摩爾定律1nm極限的新材料！
這種材料被作為二維材料的接觸電極，可以大幅度降低電阻并且提升電流，從而使其能效和硅一樣，實(shí)現未來(lái)半導體1nm工藝的新制程！
未來(lái)，「原子級」薄材料是硅基晶體管的一種有前途的替代品。
研究人員表示，他們解決了半導體設備小型化的最大問(wèn)題之一，即金屬電極和單層半導體材料之間的接觸電阻，該解決方案被證明非常簡(jiǎn)單，
即使用一種半金屬，即鉍元素（Bi），來(lái)代替普通金屬與單層材料連接。
這種超薄單層材料，在這種情況下是二硫化鉬，被認為是繞過(guò)硅基晶體管技術(shù)現在遇到的小型化限制的主要競爭者。
金屬和半導體材料（包括這些單層半導體）之間的界面產(chǎn)生了一種叫做金屬誘導的間隙(MIGS)狀態(tài)現象，這導致了肖特基屏障的形成，這種現象抑制了電荷載體的流動(dòng)。
使用一種半金屬，其電子特性介于金屬和半導體之間，再加上兩種材料之間適當的能量排列，結果是消除了這個(gè)問(wèn)題。
研究人員通過(guò)這項技術(shù)，展示了具有非凡性能的微型化晶體管，滿(mǎn)足了未來(lái)晶體管和微芯片技術(shù)路線(xiàn)圖的要求。
「至少在不久的將來(lái)，這可能足以擴展摩爾定律?！?/span>
臺大電機系暨光電所吳志毅教授表示，在使用「鉍（Bi）」為「接觸電極」的關(guān)鍵結構后，二維材料電晶體的效能，不但與「硅基半導體」相當，又有潛力與目前主流的硅基制程技術(shù)相容，有助于未來(lái)突破「摩爾定律」極限。
「北大才女」孔靜
孔靜教授目前是MIT電子工程和計算機科學(xué)系教授，同時(shí)也是電子研究實(shí)驗室（Research Laboratory of Electronics，RLE) 學(xué)術(shù)帶頭人。
她于1997年獲得北京大學(xué)化學(xué)學(xué)士學(xué)位，2002年獲得斯坦福大學(xué)化學(xué)博士學(xué)位。
從2002年到2003年，她是美國國家航空航天局埃姆斯研究中心的研究科學(xué)家;
從2003年到2004年，她是代爾夫特大學(xué)的博士后;
她于2004年加入麻省理工學(xué)院電子工程和計算機科學(xué)系。
在她的小組研究活動(dòng)包括CVD合成，石墨烯的特性和相關(guān)的二維材料，其電子和光學(xué)特性的研究和應用。
孔靜教授（左）和學(xué)生
孔靜教授的研究興趣集中在將單個(gè)碳納米管的合成和制造結合起來(lái)，并將其集成到電路中的相關(guān)問(wèn)題。研究應用包括使用碳納米管作為極其敏感的化學(xué)傳感器來(lái)檢測有毒氣體。
孔靜教授是美國化學(xué)學(xué)會(huì )，美國物理學(xué)會(huì )和材料研究學(xué)會(huì )的成員。她在2001年獲得了2001年納米技術(shù)前瞻性杰出學(xué)生獎，在2002年獲得了斯坦福大學(xué)物理化學(xué)年度評論獎，并在2005年獲得了MIT 3M獎。
參考資料：
https://www.eecs.mit.edu/people/faculty/jing-kong
https://www.rle.mit.edu/people/directory/jing-kong/
https://m.toutiao.com/is/ePSDBum/
https://www.eet-china.com/kj/63360.html
https://www.cnbeta.com/articles/science/1130561.htm
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