半导体技术的纳米技术

纳米技术有很多种，基本上可以分成两类，一类是由下而上的方式或称为自组装的方式，另一类是由上而下所谓的微缩方式。前者以各种材料、化工等技术为主，后者则以半导体技术为主。

以前我们都称 IC 技术是「微电子」技术，那是因为晶体管的大小是在微米（10-6米）等级。但是半导体技术发展得非常快，每隔两年就会进步一个世代，尺寸会缩小成原来的一半，这就是有名的摩尔定律（Moore’s Law）。

大约在 15 年前，半导体开始进入次微米，即小于微米的时代，尔后更有深次微米，比微米小很多的时代。到了 2001 年，晶体管尺寸甚至已经小于 0.1 微米，也就是小于 100 纳米。因此是纳米电子时代，未来的 IC 大部分会由纳米技术做成。但是为了达到纳米的要求，半导体制程的改变须从基本步骤做起。每进步一个世代，制程步骤的要求都会变得更严格、更复杂。

莫特密度国际上规定半导体从绝缘体变成导体，光学增益第一次出现的点。莫特跃迁现象中实现莫特转换和密度所需的电力远远超过了未来高效计算机所需要的电力，所以这就需要一种新的低功耗纳米激光器来实现，如果没有研究团队研究这种新低功耗纳米激光器，那么将在未来一台超级计算机将需要一个小发电站来供应电力，所以电力功耗非常之巨大。 我们必须要研制出一种能够实现低功耗的机器，莫特跃迁以下的激子复合物就实现了光学增益，那么功率的输入将会显而易见的变低。强烈的电荷相互作用，使得其激子与三电子即使在室温下也非常的稳定，而如何实现光学增益来降低这种功率消耗？研究人员可以 探索 电子，空穴，激子和三电子的平衡，并且控制它们之间的相互转换，并且在非常低的密度水平就能够实现光学增益。而莫特跃迁现象刚好适用于光学增益，研究人员就可以利用莫特跃迁铅现象来实现低功率的二维半导体纳米激光器制造，由于不确定的纳米激光器的机制，所以在解决莫特跃迁现象仍有许多问题有待解决。在90年代外国人也做过类似的实验，但是激子和三电子非常的不稳定，在实验中无法观察到光学增益，所以就失败了。纳米激光器的制造有赖于这种新的光学增益机制，也就是这种莫特跃迁现象。该研究还停留在物理基础的工作当中，研究人员未来还有许多工作要做。在未来的 社会 当中，光学增益可能会被应用到新的纳米激光器，这样就能够改变超级计算和数据中心的未来。计算机的未来是将激光和电磁设备集结在一个单一的集成电路平台当中，即超级计算机。能够在一块芯片当中发挥巨大的作用，所以在未来将莫特跃迁现象应用到实际当中还有待突破。

半导体产业持续朝先进制程迈进，不断追求精密细小的极限挑战，以延续摩尔定律。为此，台湾地区台湾大学、台积电、美国麻省理工学院（MIT），联合研究发现二维材料结合半金属铋（Bi）能达到极低的电阻，接近量子极限，有助于实现半导体1纳米以下的艰巨挑战；且这项研究已于「自然期刊（Nature）」公开发表。

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03472-9

目前硅基半导体主流制程，已进展至5纳米及3纳米节点，芯片单位面积能容纳的晶体管数目，也将逼近半导体主流材料「硅」的物理极限，芯片性能无法再逐年显著提升。

因此，随着硅基半导体已逼近物理极限时，全球科学界都在积极寻找其他的可能材料；而一直以来科学界都对二维材料寄予厚望，却苦于无法解决二维材料高电阻、及低电流等问题，以至于取代硅成为新兴半导体材料一事，始终是「只闻楼梯响」。

为此，台大联手台积电、MIT 共同研究，首先由MIT团队发现在二维材料上搭配半金属铋的电极，能大幅降低电阻并提高传输电流；随后台积电技术研究部门（CorporateResearch）将铋沉积制程进行优化，台大团队并运用氦离子束微影系统（Helium-ion beamlithography）将元件通道成功缩小至纳米尺寸，终于获得这项突破性的研究成果。

这项跨国合作自2019年展开，合作时间长达一年半，包括台大、台积电、麻省理工学院等皆投入研究人力，共同为半导体产业开创新路。

这项研究发现，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制程技术相容，实有助于未来突破摩尔定律的极限。虽然目前还处于研究阶段，但该成果能替下世代芯片提供省电、高速等绝佳条件，未来可望投入人工智能、电动车、疾病预测等新兴 科技 的应用中，民众都能受惠。

过去半导体使用三维材料，其物理特性与元件结构发展到了三纳米节点，这次研究改用二维材料，其厚度可小于一纳米（一到三层原子厚），更逼近固态半导体材料厚度的极限。而半金属铋的材料特性，能消除与二维半导体接面的能量障碍，且半金属铋沉积时，也不会破坏二维材料的原子结构。

---