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台積電全球廣設晶圓廠 FT:半導體業一個時代的結束

IBM 2奈米不夠看 臺大攜手台積電宣布1奈米技術有突破

研究團隊與氦離子束微影系統 (由左至右為周昂昇博士、吳志毅教授、沈品均博士)。 記者謝佳雯/攝影
研究團隊與氦離子束微影系統 (由左至右為周昂昇博士、吳志毅教授、沈品均博士)。 記者謝佳雯/攝影

日前IBM率先發表2奈米製程晶片後,全世界半導體業界都感到震驚,臺灣大學則是宣布攜台積電(2330)、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,有助於實現半導體1奈米以下的艱鉅挑戰。

台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。

臺灣大學攜手台積電、MIT發表最新研究,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。

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、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。

吳志毅指出,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3奈米節點。這次研究改用二維材料,其厚度可小於1奈米 (一到三層原子厚),更逼近固態半導體材料厚度的極限。

沈品均博士表示,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。

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。

臺大攜手台積電、美國麻省理工學院跨國研究登Nature,圖為研究團隊由左至右為沈品均博士。 記者謝佳雯/攝影
臺大攜手台積電、美國麻省理工學院跨國研究登Nature,圖為研究團隊由左至右為沈品均博士。 記者謝佳雯/攝影

台積電 半導體 奈米

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