挑戰(zhàn)1nm制程的竟是她！MIT教授、「北大才女」孔靜團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)原子級(jí)「鉍」密武器

當(dāng)「硅」達(dá)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(dǎo)的一支國際聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)「破解」！

他們成功攻克了半導(dǎo)體領(lǐng)域的二維材料的連接難題，研發(fā)出半導(dǎo)體新材料——半金屬鉍（Bi）。

這項(xiàng)成果將使晶圓的先進(jìn)制程從納米級(jí)，微觀到「原子級(jí)」。

新大陸「鉍」的發(fā)現(xiàn)者，攻克半導(dǎo)體「2D」材料連接難題

目前硅基半導(dǎo)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，2nm之后就是1.5nm、1nm。

單位面積容納的晶體管數(shù)量，逐漸逼近硅材料物理極限，但是效能無法逐年顯著提升。

幾十年來，半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)步的背后存在著一條金科玉律，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(shù)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(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。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院（MIT）的孔靜教授領(lǐng)導(dǎo)的國際聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)探索了一個(gè)新的方向：使用原子級(jí)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(xiàng)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(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者，研究方向制定者并設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，參與論文撰寫。

其實(shí)這項(xiàng)研究是MIT、臺(tái)大、臺(tái)積電共同「合力」的成果。自2019年，這三個(gè)機(jī)構(gòu)便展開了長達(dá)1年半的跨國合作。

這個(gè)重大突破先由孔靜教授領(lǐng)導(dǎo)的MIT團(tuán)隊(duì)「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。

臺(tái)積電技術(shù)研究部門則將「鉍（Bi）沉積制程」進(jìn)行優(yōu)化。

最后，臺(tái)大團(tuán)隊(duì)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，終于獲得突破性的研究成果。

Bi 給「摩爾定律」續(xù)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(xiàn)未來半導(dǎo)體1nm工藝的新制程！

未來，「原子級(jí)」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(dǎo)體設(shè)備小型化的最大問題之一，即金屬電極和單層半導(dǎo)體材料之間的接觸電阻，該解決方案被證明非常簡單，

即使用一種半金屬，即鉍元素（Bi），來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(rèn)為是繞過硅基晶體管技術(shù)現(xiàn)在遇到的小型化限制的主要競爭者。

金屬和半導(dǎo)體材料（包括這些單層半導(dǎo)體）之間的界面產(chǎn)生了一種叫做金屬誘導(dǎo)的間隙(MIGS)狀態(tài)現(xiàn)象，這導(dǎo)致了肖特基屏障的形成，這種現(xiàn)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(dǎo)體之間，再加上兩種材料之間適當(dāng)?shù)哪芰颗帕?，結(jié)果是消除了這個(gè)問題。

研究人員通過這項(xiàng)技術(shù)，展示了具有非凡性能的微型化晶體管，滿足了未來晶體管和微芯片技術(shù)路線圖的要求。

「至少在不久的將來，這可能足以擴(kuò)展摩爾定律。」

臺(tái)大電機(jī)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(jié)構(gòu)后，二維材料電晶體的效能，不但與「硅基半導(dǎo)體」相當(dāng)，又有潛力與目前主流的硅基制程技術(shù)相容，有助于未來突破「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(jì)算機(jī)科學(xué)系教授，同時(shí)也是電子研究實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)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(yīng)用。

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(jié)合起來，并將其集成到電路中的相關(guān)問題。研究應(yīng)用包括使用碳納米管作為極其敏感的化學(xué)傳感器來檢測(cè)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(jiǎng)，在2002年獲得了斯坦福大學(xué)物理化學(xué)年度評(píng)論獎(jiǎng)，并在2005年獲得了MIT 3M獎(jiǎng)。

參考資料：

https://www.eecs.mit.edu/people/faculty/jing-konghttps://www.rle.mit.edu/people/directory/jing-kong/
https://m.toutiao.com/is/ePSDBum/https://www.eet-china.com/kj/63360.htmlhttps://www.cnbeta.com/articles/science/1130561.htm

來源：新智元