最新進(jìn)展！科研人員利用超導體觸點(diǎn)，有望實(shí)現1nm芯片

1nm制程可能不再遙遠。

作者 | 來(lái)自鎂客星球的家衡

將芯片越做越薄，一直都是科學(xué)家們的夢(mèng)想。

但我們都知道，現有的硅晶體已經(jīng)越來(lái)越接近物理極限。

想要從“納米級”突破到“原子級”，只能靠二硫化鉬等超薄半導體材料來(lái)幫忙。

近日，來(lái)自瑞士巴塞爾大學(xué)的研究人員宣布，他們成功在二硫化鉬材料上加入了超導體觸點(diǎn)，從而展示與硅晶體類(lèi)似的特性。

這次實(shí)驗的成功，驗證了超薄半導體材料制造半導體元器件的可行性。

實(shí)驗展示超薄半導體材料的新特性

本次實(shí)驗由Andreas Baumgartner博士領(lǐng)導，其領(lǐng)導的研究小組計劃將一些具有半導體性質(zhì)的天然材料層疊形成三維晶體，再與超導體結合起來(lái)，繼而探究新材料的特性。

在實(shí)驗開(kāi)始，研究人員先將二硫化鉬分離成單獨的層，這些單層的厚度不超過(guò)一個(gè)分子。

接著(zhù)，研究人員像“制作三明治”一樣在單層的二硫化鉬兩側加入兩層薄薄的氮化硼。在手套箱中的保護性氮氣保護下，研究人員將氮化硼層堆疊在二硫化鉬層上，并將底部與另一層氮化硼以及一層石墨烯結合。

然后，研究人員將這種復雜的范德華異質(zhì)結構（一種特殊的三維結構）放置在硅/二氧化硅晶片的頂部。

這樣就堆疊出一個(gè)類(lèi)似于半導體元件的全新合成材料。

在堆疊完成后，研究人員開(kāi)始在絕對零度以上（-273.15攝氏度）的低溫下進(jìn)行實(shí)現觀(guān)察。

最后他們發(fā)現，在超低溫的條件下，超導電測量清楚地顯示了超導引起的效應；例如，單電子不再被允許通過(guò)。此外，研究人員還發(fā)現了半導體層和超導體之間存在強耦合的跡象。這些特性與目前半導體芯片的物理特性十分相似。

研究項目經(jīng)理鮑姆加特納解釋說(shuō)：“在超導體中，電子將自己排列成成對，就像舞伴一樣，產(chǎn)生了奇怪而奇妙的結果，比如電流的流動(dòng)沒(méi)有電阻。另一方面，在半導體二硫化鉬中，電子表演一種完全不同的舞蹈，一種奇怪的獨舞，也包含了它們的磁矩?，F在，如果我們把這些材料結合起來(lái)，我們想親自看到這奇異的舞蹈。”

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，本次實(shí)驗驗證了超薄半導體材料代替硅晶體的可行性，為下一代半導體制造器件提供了新的思路。

二維材料為“摩爾定律”續命

如今的芯片制程工藝，已經(jīng)完成了5nm的突破，科學(xué)家們發(fā)力向1nm的極限沖刺，今年5月6日，IBM率先宣布造出2nm芯片，頓時(shí)讓整個(gè)半導體圈子歡欣鼓舞。

但由于摩爾定律的存在，即使單位面積容納的晶體管數量逐步提前，但是效能無(wú)法得到顯著(zhù)提升，在硅晶片的物理特性即將達到極限的背景下，1nm工藝像一座大山擋在硅技術(shù)面前。

此外，在目前的先進(jìn)制程里，都需要絕緣體的存在，他們存在的意義是要協(xié)助電子能順利通過(guò)晶體管里的通道，當制程持續向下走，通道勢必越來(lái)越小，晶體管之間的串擾會(huì )很大，芯片的效能表現也會(huì )大打折扣。

例如一顆5nm工藝材料的芯片里，已經(jīng)塞下太多的晶體管，一旦電子黏在芯片內部的氧化物絕緣體上，就會(huì )導致電流不易通過(guò)，最終引起功耗增加、芯片發(fā)熱等問(wèn)題。

這也是為什么我們會(huì )吐槽臺積電和三星5nm工藝紛紛“翻車(chē)”，因為這真的太考慮后期的打磨。

既然三維的材料會(huì )讓電荷依附在上面，那么用二維材料作為替代品，可以完美避免電流通過(guò)的問(wèn)題。

目前，業(yè)內普遍采用二硫化鉬作為二維超薄單層材料，這也是被認為是突破硅晶片小型化限制的最有力替代品。

臺積電押注鉍（Bi）材料

事實(shí)上，除了此次瑞士巴塞爾大學(xué)的研究以外，學(xué)術(shù)界早已在二維材料連接上有所突破。

早前，麻省理工學(xué)院（MIT）的孔靜教授領(lǐng)導的國際聯(lián)合攻關(guān)團隊宣布與臺大、臺積電共同完成合作，使用原子級薄材料鉍（Bi）代替硅，有效地將這些2D材料連接到其他芯片元件上。

當鉍（Bi）材料被作為二維材料的接觸電極時(shí)，可以大幅度降低電阻并且提升電流。

正如前文所說(shuō)，金屬和半導體材料之間的界面會(huì )產(chǎn)生了一種叫做金屬誘導的間隙(MIGS)狀態(tài)現象，抑制電荷載體的流動(dòng)。而屬于半金屬的鉍（Bi）材料，電子特性介于金屬和半導體之間，可以有效消除了電荷流通的問(wèn)題。

目前，臺積電技術(shù)研究部門(mén)已經(jīng)開(kāi)始“鉍（Bi）沉積制程”技術(shù)的研究，這項研究已經(jīng)成為未來(lái)1nm工藝的突破所在。

通過(guò)這項技術(shù)，研究人員可以設計出具有非凡性能的微型化晶體管，可以有效滿(mǎn)足了未來(lái)晶體管和芯片技術(shù)路線(xiàn)圖的要求。

1nm正慢慢成為現實(shí)

超薄半導體材料的成功驗證，給我們展現出下一代半導體的無(wú)限潛力，未來(lái)的計算機或者會(huì )隨著(zhù)超薄半導體材料的成熟展現出全新的姿態(tài)。

同時(shí)我們也要看到，臺積電、IBM都在積極搶占1nm先進(jìn)制程工藝。

關(guān)于下一代半導體的競爭已經(jīng)悄然開(kāi)始。

最后，記得關(guān)注微信公眾號：鎂客網(wǎng)（im2maker），更多干貨在等你！