挑戰物理極限 延續摩爾定律 臺大攜手台積電、美國麻省理工學院跨國研究登Nature

臺灣領先全球的半導體晶片產業，不斷追求精密細小的極限挑戰。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。臺大攜手台積電、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。這項研究已於《自然》期刊(Nature)公開發表。

目前矽基半導體主流製程，已進展至五奈米及三奈米節點，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。一直以來科學界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」。

此次由臺灣大學、台積電與麻省理工學院(MIT)共同發表的研究，首先由美國麻省理工團隊發現在二維材料上搭配半金屬鉍(Bi)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(Bi)沉積製程進行優化，臺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。

臺大電機系暨光電所吳志毅教授進一步說明，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。

這項跨國合作自2019年展開，合作時間長達一年半。包括臺大、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。其中，兩名主要參與研究、論文發表的年輕博士，都曾是臺大光電所碩士生。

美國麻省理工學院畢業的沈品均博士，為本論文的第一作者與通訊作者。沈品均博士表示，過去半導體使用三維材料，其物理特性與元件結構發展到了三奈米節點。這次研究改用二維材料，其厚度可小於一奈米(一到三層原子厚)，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。

而在臺大，則由臺大電機系暨光電所吳志毅教授、周昂昇博士參與研究，分別為論文的共同作者。周昂昇博士提到，臺大團隊於此研究中主要負責開發奈米級元件。能讓臺大和麻省理工有機會發展國際合作，台積電和科技部支持的產學大聯盟計畫功不可沒。研究過程中，能和諸多頂尖學者交流；由於時差因素，雙方無論信件或電話討論，都是分秒必爭。現在想起來，都是自己學術生涯中，非常寶貴的經驗。

台積電長期和臺大進行產學合作，台積電技術研究組織副處長暨台積電－臺灣大學聯合研發中心副主任林春榮表示，科學研究能夠驅動產業發展，台積公司多年來致力研發、推動創新，並持續與全球知名大學合作。此次的研究成果再次體現了產學合作的重要性。

吳志毅教授最後有感而發地說，這次國際合作進行的前瞻性研究，大學實扮演非常重要的角色。完成最後研究的氦離子束微影系統，現放置於臺大電機二館，機器設備投入資金高達數千萬元，全臺灣僅此一座，臺大由衷感謝科技部與台積電的支持；臺大非常樂意將此次的研究成果，回饋給國內產業界。未來若能取得商用的突破，將有助國內半導體及科技供應鏈，繼續維持全球的領先地位。

Nature期刊連結：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03472-9