挑战1nm制程的竟是她！MIT教授、「北大才女」孔静团队发现原子级「铋」密武器

新智元报道

来源：MIT

编辑：yaxin, LQ

【新智元导读】3nm，2nm, 1nm，先进制程逐渐逼近「硅」的物理极限！近日，「北大才女」孔静教授带领团队找到了代替「硅」的新兴半导体材料——铋（Bi），未来将挑战1nm以下的制程，有助于突破「摩尔定律」极限。

当「硅」达到物理极限，该怎么解？

这一困惑科学界的难题，近日就由「北大才女」孔静教授领导的一支国际联合攻关团队「破解」！

他们成功攻克了半导体领域的二维材料的连接难题，研发出半导体新材料——半金属铋（Bi）。

这项成果将使晶圆的先进制程从纳米级，微观到「原子级」。

新大陆「铋」的发现者，攻克半导体「2D」材料连接难题

目前硅基半导体已经推进到5nm和3nm，IBM也刚刚宣布了突破2nm的「PPT 工艺」。

不过，2nm之后就是1.5nm、1nm。

单位面积容纳的晶体管数量，逐渐逼近硅材料物理极限，但是效能无法逐年显著提升。

几十年来，半导体行业进步的背后存在着一条金科玉律，即「摩尔定律」。

摩尔定律表明：每隔 18~24 个月，封装在微芯片上的晶体管数量便会增加一倍，芯片的性能也会随之翻一番。

然而，硅片触及物理极限，除非找到新的方法，否则这些限制可能会使几十年的进展停滞不前。

尽管科学界对二维材料寄予厚望，却苦于无法解决二维材料高电阻、低电流等问题。

现在，麻省理工学院（MIT）的孔静教授领导的国际联合攻关团队探索了一个新的方向：使用原子级薄材料铋（Bi）代替硅，有效地将这些2D材料连接到其他芯片元件上。

这项最新研究「Ultralow contact resistance between semimetal and monolayer semiconductors」已发表在Nature期刊上。

孔静教授是项目的领导者，研究方向制定者并设计了实验，参与论文撰写。

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

其实这项研究是MIT、台大、台积电共同「合力」的成果。自2019年，这三个机构便展开了长达1年半的跨国合作。

这个重大突破先由孔静教授领导的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）沉积制程」进行优化。

最后，台大团队运用「氦离子束微影系统」将元件通道成功缩小至纳米尺寸，终于获得突破性的研究成果。

Bi 给「摩尔定律」续命？

铋（Bi）是一种有望突破摩尔定律1nm极限的新材料！

这种材料被作为二维材料的接触电极，可以大幅度降低电阻并且提升电流，从而使其能效和硅一样，实现未来半导体1nm工艺的新制程！

未来，「原子级」薄材料是硅基晶体管的一种有前途的替代品。

研究人员表示，他们解决了半导体设备小型化的最大问题之一，即金属电极和单层半导体材料之间的接触电阻，该解决方案被证明非常简单，

即使用一种半金属，即铋元素（Bi），来代替普通金属与单层材料连接。

这种超薄单层材料，在这种情况下是二硫化钼，被认为是绕过硅基晶体管技术现在遇到的小型化限制的主要竞争者。

金属和半导体材料（包括这些单层半导体）之间的界面产生了一种叫做金属诱导的间隙(MIGS)状态现象，这导致了肖特基屏障的形成，这种现象抑制了电荷载体的流动。

使用一种半金属，其电子特性介于金属和半导体之间，再加上两种材料之间适当的能量排列，结果是消除了这个问题。

研究人员通过这项技术，展示了具有非凡性能的微型化晶体管，满足了未来晶体管和微芯片技术路线图的要求。

「至少在不久的将来，这可能足以扩展摩尔定律。」

台大电机系暨光电所吴志毅教授表示，在使用「铋（Bi）」为「接触电极」的关键结构后，二维材料电晶体的效能，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，有助于未来突破「摩尔定律」极限。

「北大才女」孔静

孔静教授目前是MIT电子工程和计算机科学系教授，同时也是电子研究实验室（Research Laboratory of Electronics，RLE) 学术带头人。

她于1997年获得北京大学化学学士学位，2002年获得斯坦福大学化学博士学位。

从2002年到2003年，她是美国国家航空航天局埃姆斯研究中心的研究科学家;

从2003年到2004年，她是代尔夫特大学的博士后;

她于2004年加入麻省理工学院电子工程和计算机科学系。

在她的小组研究活动包括CVD合成，石墨烯的特性和相关的二维材料，其电子和光学特性的研究和应用。

孔静教授（左）和学生

孔静教授的研究兴趣集中在将单个碳纳米管的合成和制造结合起来，并将其集成到电路中的相关问题。研究应用包括使用碳纳米管作为极其敏感的化学传感器来检测有毒气体。

孔静教授是美国化学学会，美国物理学会和材料研究学会的成员。她在2001年获得了2001年纳米技术前瞻性杰出学生奖，在2002年获得了斯坦福大学物理化学年度评论奖，并在2005年获得了MIT 3M奖。

参考资料：

https://www.eecs.mit.edu/people/faculty/jing-kong

https://www.rle.mit.edu/people/directory/jing-kong/

https://m.toutiao.com/is/ePSDBum/

https://www.eet-china.com/kj/63360.html

https://www.cnbeta.com/articles/science/1130561.htm