1纳米以下制程有了新突破

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。

芯片工艺发展到1nm以后怎么办？这的确是一个问题，因为单原子硅的直径就大于0.1nm了，1nm也就10个硅原子不到的样子，这个时候量子隧穿效应将使得“电子失控”，出现芯片失效的问题，而且实际上不需要到1nm就会出现量子隧穿效应。对于这个问题，目前的说法是更换材料，不再使用硅材料，当然这个其实也可以说是治标不治本，因为再好的材料，最终也有一个极限，所以从传统的半导体工艺视角来看，摩尔定律的确是岌岌可危了。

摩尔定律

那么什么是摩尔定律？摩尔定律是由英特尔创始人之一的戈登·摩尔提出来的，其内容为：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔两年便会增加一倍。但是我们要知道摩尔定律不是物理规律和自然规律，该定律只是对现象的观测或对未来的推测，不是说一直都会成立。从逻辑上来看，物质无法无限细分下去，所以到了一定程度后摩尔定律会失效，所以大家担心摩尔定论失效是很正常的。

而最近几年随着工艺的不断发展，最新的工艺已经到5nm了，3nm也已经在宣传中了，大家对摩尔定律的失效是越来越担心了，不过从工艺跌倒的速度来看，到2030年之前应该还可以继续玩下去，等到了1nm的时候，就真的需要想点办法了，换材料的想法和相关实验早就在进行了，但是目前还没有真正的达到预期中的水平，不过这也不是第一次摩尔定律恐慌了。

前景

那么2030年之后怎么办？或者说就算换材料成功了，也只能再延续一段时间，总有一天会遇到那堵墙的，这条肯定会有尽头。不过我们不要忘记了摩尔定律的本意，虽然当初说的是晶体管数量增加，但是其本意还是芯片性能的提升，而后来英特尔首席执行官大卫·豪斯根据摩尔定律提出，预计每18个月会将芯片的性能提高一倍，如果从这个角度来看，那摩尔定律显然还会具有很长的生命力。

因为性能的提升不是只有半导体工艺提升这一条路，目前来说未来还可以通过更先进的封装来进行性能提升，以及架构上的优化，或者说其他计算方式带来的革命，譬如量子计算等技术。总之个人对计算性能的发展前景还是很看好的，只要有技术和人才的投入，计算机性能的提升将不会停止其步伐，至于半导体工艺面临摩尔定律失效的问题，并不会对计算机性能提升带来致命的影响。

但是这并不代表石墨烯就是完美无缺的，它也存在着许多的不足之处，像光吸收率较低等，于是在此背景下， 我国云南大学又有了新的发展思路，将研究的重点放到了金属硫族化合物上 。

要说起硫族化合物，对于大家而言可能会有点陌生， 简单来说其实就是一种半导体材料，不仅具备了石墨烯所拥有的优点 ，同时还可以弥补其不足之处，所以在未来会成为比石墨烯更广泛应用的材料。

目前我国对于这种材料的研究技术还不够成熟，存在着不容易转移、面积小等诸多问题，一时间还很难商用，但云南大学现在通过一些特殊手段， 只要在合适的条件下，就可以成功制造出大面积且均匀的硫化铂材料。

不仅是我国，世界各国企业都在加快对芯片材料的研究， 台积电作为世界芯片行业内的领头羊 ，自然不会停止其研究的进度， 如今联合两所高校在芯片材料方面也有了新的突破 。

它们联手发现了一种新型的半金属“铋”材料 ， 它不仅可以为芯片提供更加省电、高速的条件 ，还可以运用到智能、电动车等领域，可谓是一举多得。

欧洲国家也在加紧对该领域的研究， 最近瑞士的相关科研团队表示，在二硫化钼材料中加入超导体储电，就能达到和硅晶体相似的特征 ，也就是可以很好地运用到芯片的生产制造方面，全新材料有望代替硅基芯片。

让人比较遗憾的是，以上介绍的所有成果目前都还处于研究当中，并没有得到正式商用，不过能够有所发现已经算是一个好的开端，而为何众多国家在逐渐放弃硅基芯片，反而在积极寻找新材料呢？

其实这主要是因为受到“摩尔定律”的困扰，目前在芯片领域，5nm芯片已经实现了量产， 台积电和三星都在向着更高的方向—3nm级别芯片进行冲刺 ，这样的发展进度好像是没有任何问题，但这之中需要注意的一点是， 随着芯片级别的不断提高，对它的性能要求也会越来越高 。

如果继续使用传统的芯片材料， 即使实现了对3纳米芯片的量产，但其性能方面其实并不会有太大的提升，最高不超过30% ，要知道此前都是成倍提高的。

现如今各国企业要想提升芯片级别，甚至要达到1nm水平，已经十分困难， 所以最主要的办法就是寻找新的更有优势的半导体材料进行解决 ，所以许多国家也都在朝着这个方向努力研究。

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