“突破摩尔定律”半导体重大突破硅原料将被取代生产待定

中打破了摩尔定律，在新的半导体研究领域取得了巨大的突破。利用一种新的超薄电极材料，实现了二维半导体电子与逻辑电路的自由控制。此外，南洋理工大学、北京大学、南京大学等高校的科研队伍，也在二维半导体的整合与成长上取得了突破性进展。

中国的本土企业也在努力地积累和研究相关的技术，这些技术将会在将来获益。首先，我们要说的是，摩尔定律是什么，为什么它会对半导体产生如此大的影响。戈登·摩尔，英特尔的共同创始人，提出了著名的摩尔定律：每18到24个月，集成电路上的元件数目就会翻一番，而其性能也会翻一番。这就意味着，在每一块硅片上，晶体管的体积会变得更小，也会变得更多。但是今天，一块指甲盖大小的晶体管可以容纳一百亿个，而硅晶体管也已经接近了它的物理极限。摩尔定律的继续，要求新的材料，新的装置。

目前，人们对二维半导体的前景非常看好，因为传统的硅片晶体是以三维块状半导体为基础，使得电子难以透过纳米尺寸的通道。然而，由于二维材料的存在，使得晶体管的体积变得更小，变成了一种更容易让电荷在其中自由流动的超薄晶体管。

由光敏材料及器件研究中心的黄博士、物理学院的李金龙教授带领的一个研究团队，成功地利用了一种新型的超薄电极材料（Cl-SnSe2)，实现了二维半导体电子及逻辑电路的自由控制。

该研究成功地解决了费米能级钉扎问题，使得传统的二维半导体器件难以完成互补逻辑电路，只显示 N型或 P型器件的性能。利用这种新的电极材料，可以实现 N型、 P型的功能，从而形成一种高性能、低功耗、互补逻辑的逻辑电路。

黄教授预测，这种新型的二维电极材料将会是很薄的，具有很高的透明度和d性。所以，他们可以应用到下一代的可弯曲的、透明的半导体装置上。南洋理工大学，北京大学，清华大学和北京量子资讯 科技 研究院的研究者们，近期展示了一种将单晶体滴定在二维半导体上的方法，即高 K钙钛矿的一种氧化物。该技术将为新的晶体管和电子器件的发展提供新的可能。

报告中提及了一种叫做“一种钙钛矿”的单晶滴定锶，以前人们已经发现，用一种具有不同的原子结构的钙钛矿氧化物难以实现。但是，这个研究小组使用了一种聪明的方法，它能够超越这个极限，使材料的组合几乎是无限的。

研究者称，他们发明的晶体管可以用来制作互补的 MOS电路，同时也可以降低功率消耗。在将来，这些装置将会被大量生产，用以研发低功率的逻辑和微型晶片。前不久，王欣然教授和南京大学王金兰教授的研究小组共同宣布，世界上第一个大规模、均匀的二层二硫化钼，这是目前已知的最好的二维半导体材料之一，薄膜的外延生长。

东南大学教授马亮说：“我们的研究成果，不但打破了二硫化钼薄膜的层数可控生长技术瓶颈，开发出了性能最高的二硫化钼膜器件，并将其应用到其它二维材料的外延上，为以后的硅半导体器件的发展开辟了新的思路。”

在二硫化钼的研究中，二硫化钼的载流子迁移率和驱动电流都比单层二硫化钼高，在电子设备的应用中占有很大的优势。然而，采用常规方法制备的二硫化钼双层膜存在着层数均匀性差、膜不连续性等问题，研究小组提出了一种新型的基板诱导成核和“齐头并进”的新型生长机理。

值得一提的是，芯片制造商们，也在积极地进行着新的研究。英特尔与台积电将于2021年12月举行的 IEEE国际电子装置大会上，为解决二维半导体高阻、低电流问题提供了解决办法。在半导体与金属的接触处，存在着锋利的电阻尖，这是目前二维半导体面临的最大阻碍。

台积电与英特尔公司采用了半金属锑作为接触材料，以减少半导体与触头间的能量壁垒，以达到低阻性。从2019年起，台积电一直在寻求一种可以替代硅的二维材料。台积电在今年五月率先宣称，他们已经找到了半金属铋可以在很低的电阻下，成为二维半导体的粘结剂。但是铋的熔点太低，不能承受后续的晶片高温处理。

南京大学电子工程学院王欣然博士团队，着眼于中国国内市场的发展，在2021年九月，天马微电子（深天马）与天马公司的合作，为今后 Micro LED技术的发展开辟了一条崭新的技术路径。

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。

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