半導體產業持續朝先進製程邁進，不斷追求精密細小的極限挑戰，以延續摩爾定律。為此，台大攜手台積電、美國麻省理工學院（MIT），研究發現二維材料結合半金屬鉍（Bi）能達到極低的電阻，接近量子極限，有助於實現半導體 1 奈米以下的艱鉅挑戰；且這項研究已於「自然期刊（Nature）」公開發表。

圖片來源：台大

目前矽基半導體主流製程，已進展至 5 奈米及 3 奈米節點，晶片單位面積能容納的電晶體數目，也將逼近半導體主流材料「矽」的物理極限，晶片效能無法再逐年顯著提升。

因此，隨著矽基半導體已逼近物理極限時，全球科學界都在積極尋找其他的可能材料；而一直以來科學界都對二維材料寄予厚望，卻苦於無法解決二維材料高電阻、及低電流等問題，以至於取代矽成為新興半導體材料一事，始終是「只聞樓梯響」。

為此，台大聯手台積電、MIT 共同研究，首先由 MIT 團隊發現在二維材料搭配半金屬鉍的電極，能大幅降低電阻並提高傳輸電流；隨後台積電技術研究部門（Corporate Research）將鉍沉積製程進行優化，台大團隊並運用氦離子束微影系統（Helium-ion beam lithography）將元件通道成功縮小至奈米尺寸，終於獲得這項突破性的研究成果。

這項跨國合作自 2019 年展開，合作時間長達一年半，包括台大、台積電、麻省理工學院等皆投入研究人力，共同為半導體產業開創新路。

台大電機系暨光電所吳志毅教授說明，這項研究發現，在使用鉍為接觸電極的關鍵結構後，二維材料電晶體的效能不但與矽基半導體相當，又有潛力與目前主流的矽基製程技術相容，實有助於未來突破摩爾定律的極限。雖然目前還處於研究階段，但該成果能替下世代晶片提供省電、高速等絕佳條件，未來可望投入人工智慧、電動車、疾病預測等新興科技的應用中，民眾都能受惠。

博士沈品均則指出，過去半導體使用三維材料，物理特性與元件結構發展到 3 奈米節點，這次研究改用二維材料，厚度可小於 1 奈米（1~3 層原子厚），更逼近固態半導體材料厚度的極限。而半金屬鉍的材料特性，能消除與二維半導體接面的能量障礙，且半金屬鉍沉積時，也不會破壞二維材料的原子結構。（作者：侯冠州；本文轉載自科技新報）