5月初IBM公布的2nm芯片技术路线，让人感到摩尔定律虽然速度放缓，但还活着。但2nm之后的1.5nm、1nm等工艺，芯片单位面积能容纳的电晶体数目，也将逼近半导体主流材料硅的物理极限，芯片的性能也很难再进一步提升。

　　在IBM官宣2nm后不到半个月，台湾大学、台积电和麻省理工（MIT）便共同发布了1nm以下芯片重大研究成果，首度提出利用半金属铋（Bismuth，化学符号Bi）作为二维材料（2D materials）的接触电极。

　　铋材料可以大幅降降低电阻并提高电流，使其效能媲美硅材料，有助于半导体行业应对未来1nm世代的挑战。这项研究成果由台大电机系暨光电所教授吴志毅，与台积电和MIT研究团队共同完成，已在国际期刊Nature上发表。

　　从左至右依次为MIT沈品均博士、台湾大学吴志毅教授及台湾大学周昂升博士（图自：台湾大学）

　　传统三维和二维材料均无法突破摩尔定律

　　论文中写道，目前硅基半导体已经推进到5nm和3nm，单位面积容纳的晶体管数量逼近硅材料物理极限，效能无法逐年显着提升。尽管传统的三维材料——硅、锗（Ge）或砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等，及基于它们的相关应用已经较为成熟，但更高性能的器件在大尺度、柔性、透明、高速、高效、宽谱、低功耗和低成本等方面始终有应用需求。

　　2004年，半金属材料石墨烯（Graphene）被发现后，二维材料的研究火了起来。作为电学、光电学体系中单位元件，二维材料具备与互补金属氧化半导体技术整合的特性，而且在高性能的场效应晶体管应用中，依据生长方式的优化，迁移率能达到100cm2/Vs量级，在沟道长度10nm以下有着超越单晶硅的优势，是实现新型纳米电子器件的关键。

　　从金属特性的石墨烯、绝缘体氮化硼（BN），到二维过渡金属硫化物（Transitionmetal dichalcogenide family of materials， TMDs），二维黑磷（BP）以及范德瓦尔斯异质结（vdWHs）……各种堆叠和排列二维材料的组合，带来了不少重要发现和技术方面的大幅提高。

　　然而，二维材料虽然被业内寄予突破摩尔定律的厚望，却始终无法解决其高电阻、低电流和难以量产的问题。

　　二维二硫化钼 + 半金属“铋（Bi）

　　此次三方合作中，重大突破先由MIT团队发现在二维材料上搭配半金属铋（Bi）的电极，能大幅降低电阻并提高传输电流。台积电技术研究部门则将”铋（Bi）沉积工艺“进行优化，最后台大团队运用”氦离子束微影系统“ （Helium-ion Beam Lithography）将组件信道成功缩小至纳米尺寸，终于获得突破性的研究成果。

　　半金属-半导体接触的间隙态饱和的概念（图自：Nature）

　　想要驯服这种全新的半导体材料似乎并不是什么容易的事情，自2019年开始，三方耗时长达一年半的时间，才将铋材料缩放至与硅晶体管相差不多的规格。

　　值得一提的是，该论文中用到的二维材料为二维二硫化钼（Molybdenum disulfide, MoS2），是目前在纳米器件领域中，被研究得最为广泛的二维半导体材料。通过半金属铋与TMDs之间的欧姆接触，其中MIGS被充分抑制，TMD中的简并态与铋接触形成。通过这种方法，他们在单层MoS2上实现了零肖特基势垒高度，接触电阻为123欧姆微米，通态电流密度为1135微安/微米。

　　单层MoS2场效应晶体管中的欧姆接触和肖特基接触的比较（图自：Nature）

　　就他们所知，这两个值分别是尚未记录的最低和最高值。他们还证明了可以在包括MoS2、WS2和WSe2在内的各种单层半导体上形成出色的欧姆接触。他们报道的接触电阻是对二维半导体的实质性改进，并接近量子极限。这项技术揭示了与最新的三维半导体相媲美的高性能单层晶体管的潜力，从而可以进一步缩小器件尺寸并扩展摩尔定律。

　　晶体结构和欧姆接触的机理（图自：Nature）

　　参与这次跨国研究的台大研究团队为台大光电所，并由有机光电材料分析研发实验室的吴志毅教授等人参与研究，该实验室的主攻项目石墨烯、太阳能电池和OLED等材料。吴志毅教授表示，在使用”铋“为”接触电极“的关键结构后，二维材料晶体管的效能不但与硅基半导体相当，又有潜力与目前主流的硅基工艺技术兼容，有助于未来突破摩尔定律极限。

　　双接触2D半导体技术的基准（图自：Nature）

　　麻省理工方面主导研究的是沈品均博士，他也是本论文的第一作者和通讯作者。他表示改用二维材料后，可将工艺突破至1nm以下，更接近与固态半导体材料厚度的极限。而半金属铋的材料特性可以消除二维材料表面的势垒，从而实现超低的接触电阻，而且半金属铋沉积时，并不会破坏二维材料的原子结构。

　　神秘的铋

　　神秘的铋究竟是怎样的一种材料呢？其实铋是最早被人们发现的10种金属之一。印加人很早的时候就在一种特殊的青铜合金刀具中添加铋。

　　据日本化学界最有影响力的门户综合网站《化学空间》科普，早在1450年，德国教士B?Vallentine就曾描述过铋。因为铋和锡以及铅实在是太像了，所以在很长一段时间内，人们经常把铋和铅、锡、银、锑等其他金属搞混。

　　约1546年，德国学者格奥尔格乌斯·阿格里科拉（Georgius Agricola，被誉为”矿物学之父“）指出，基于对金属及其物理性质的观察，铋是一种独特金属。

　　到了1556年，Georgius Agricola又在《论金属》一书中提出锑和铋是两种独立金属的观点。

　　1737年，德国化学家约翰·海因里希·波特（Johann Heinrich Pott）用火法分析钴矿时曾获得一小块样品，但当时并不知是何物。

　　1753年，瑞典化学家和博物学家托贝恩·奥洛夫·贝格曼（Torbern Olof Bergman）确认铋是一种化学元素，定名为Bismuth；同年，法国化学家克劳德·弗朗索瓦·若弗鲁瓦（Claude Fran?ois Geoffroy）经分析研究，证明这种金属与铅和锡不同，是一种新元素。

　　铋的基本物理性质（图自：化学空间）

　　铋的拉丁名称Bismuthum来源于德语中的Wismuth （白色物质）。但其实金属铋并非是完全的银白色，它的单质由于表面氧化会出现彩虹色的光泽，这是由于晶体表面厚度不一的氧化膜所造成的，它会导致光的干涉。

　　而铋也是具有最高抗磁性的金属，同时也具有很高的霍尔系数和电阻率。当铋的厚度降低到纳米量级时，它会由金属转化为半导体。这些特性也另其化合物可以是半导体、拓扑绝缘体，还可以是超导体，这些材料在电子工业都扮演着非常重要的角色。

　　铋的化合物主要用于制造温差致冷组件、高速集成电路、参量放大器、离子雪崩光控二极管、光导摄像显像管等等。例如：BiSbTe3可作为温差电器组件用于太阳能电池；Bi2Te3是一种性质优异的热电材料，它可以用于制造低温温差电源；BiAgS2用于制造半导体器件；Bi2O3等氧化物薄膜材料可作导电涂层。Bi2S3主要用于制造光电自动设备中的光电阻，增大可见光谱区域内光谱的灵敏度。

　　据《化学空间》报道，近年来研究人员发现了一种性质迥异的新材料——拓扑绝缘体，它指的是内部绝缘，界面允许电荷移动的材料。在拓扑绝缘体的内部，电子能带结构和常规的绝缘体相似，其费米能级位于导带和价带之间。在拓扑绝缘体的表面存在一些特殊的量子态，这些量子态位于块体能带结构的带隙之中，从而允许导电。这类材料由于其特殊的性质，在电子、光学等领域具有非常重要的潜在价值。铋的许多化合物，如Bi2Se3， Sb2Te3， Bi2Te3等都可以制成拓扑绝缘体的结构，因此备受关注。

　　高度n型掺杂的拓扑绝缘体Bi2Se3能带结构

　　产学研结合，多方式突破1nm

　　从本次技术突破也可以看出，台积电在产学研上的巨大投入，其产学大联盟计划联合了多所著名高校，钻研半导体技术。比如2021年3月，台积电与台湾交通大学联合研制的最薄氮化硼二维绝缘材料，该材料同样可以用于1nm工艺的突破。

　　吴志毅教授也表达了对台积电的感谢，他表示，”参与研究的氦离子束微影系统，投资额高达数千万新台币；机器现放置于台大电机二馆，目前台湾全岛仅此一座。“

　　本次1nm研究用到的氦离子束微影系统，将组件信道缩小至纳米尺寸。（图自：台湾大学）

　　二维材料厚度可小于1nm，相当于一至三层原子，逼近固态半导体材料厚度的极限。相关成果如能落地，将为下一世代芯片提供省电、高速等绝佳条件，日后有望应用于人工智能、电动车、疾病预测等新兴科技上。

　　二维材料厚度小于1纳米，相当于一到三层原子。（图自：台湾大学）

　　小结

　　这次1nm技术上的突破，也给我国半导体的发展带来了新的思路——新的材料能否逐步替代目前的硅基电子学？二维材料中的过渡族金属硫化物貌似是一个不错的方向。

　　在此前的国家科技体制改革和创新体系建设领导小组第十八次会议上，中共中央政治局委员、国务院副总理、国家科技体制改革和创新体系建设领导小组组长刘鹤主持会议，讨论了面向后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术。

　　1965年，时任仙童半导体的工程师摩尔预言了集成电路发展的趋势，后经修正，就是大名鼎鼎的摩尔定律。近50年来，”摩尔定律“一直被半导体行业奉为金科玉律。然而近年来随着芯片工艺不断演进，硅的工艺发展趋近于其物理极限，晶体管数目增加逐步放缓。

　　因此，”后摩尔时代“概念随之而出。后发者——如中国，若能提前识别并做出前瞻性布局，完全存在换道超车的可能性。

　　复旦大学教授周鹏在接受媒体采访时认为：”这项新技术的突破，将解决二维半导体进入产业界的主要问题，是集成电路能在后摩尔时代继续前进的重要技术。二维半导体已被国际主要前沿集成电路研发机构重金投入，不管是在工艺突破还是新器件结构及设计制造方面，我国在新一代集成电路关键技术上与国际机构形成竞争互补关系。“

　　芯谋研究首席分析师顾文军也表示：”后摩尔时代有三个方面值得研究，一个是新材料，每一次新技术发展材料都是非常重要的，现在是硅基，以后可能是碳基；第二是架构上的创新；第三，制造封装端，比如Chiplet（芯粒）等都是值得研究的。“

　　在新材料方面，北京半导体行业协会副秘书长朱晶认为，通过全新物理机制实现全新的逻辑、存储及互联概念和器件，推动半导体产业的革新。例如，拓扑绝缘体、二维超导材料等能够实现无损耗的电子和自旋输运，可以成为全新的高性能逻辑和互联器件的基础。