下一代半導體競爭：超導體觸點有望實現1nm芯片

將芯片越做越薄,一直都是科學家們的夢想。但我們都知道,現有的硅晶體已經越來越接近物理極限。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幫忙。近日,來自瑞士巴塞爾大學的研究人員宣布,他們成功在二硫化鉬材料上加入了超導體觸點,從而展示與硅晶體類似的特性。這次實驗的成功,驗證了超薄半導體材料制造半導體元器件的可行性。

實驗展示超薄半導體材料的新特性

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

在實驗開始,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一個分子。

接著,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。這樣就堆疊出一個類似于半導體元件的全新合成材料。在堆疊完成后,研究人員開始在絕對零度以上(-273．15攝氏度)的低溫下進行實現觀察。

最后他們發現,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。此外,研究人員還發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。

研究項目經理鮑姆加特納解釋說:“在超導體中,電子將自己排列成成對,就像舞伴一樣,產生了奇怪而奇妙的結果,比如電流的流動沒有電阻。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。現在,如果我們把這些材料結合起來,我們想親自看到這奇異的舞蹈。”

簡單來說,本次實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,已經完成了5nm的突破,科學家們發力向1nm的極限沖刺,今年5月6日,IBM率先宣布造出2nm芯片,頓時讓整個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,但是效能無法得到顯著提升,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面前。此外,在目前的先進制程里,都需要絕緣體的存在,他們存在的意義是要協助電子能順利通過晶體管里的通道,當制程持續向下走,通道勢必越來越小,晶體管之間的串擾會很大,芯片的效能表現也會大打折扣。例如一顆5nm工藝材料的芯片里,已經塞下太多的晶體管,一旦電子黏在芯片內部的氧化物絕緣體上,就會導致電流不易通過,最終引起功耗增加、芯片發熱等問題。這也是為什么我們會吐槽臺積電和三星5nm工藝紛紛“翻車”,因為這真的太考慮后期的打磨。既然三維的材料會讓電荷依附在上面,那么用二維材料作為替代品,可以完美避免電流通過的問題。目前,業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

事實上,除了此次瑞士巴塞爾大學的研究以外,學術界早已在二維材料連接上有所突破。早前,麻省理工學院(MIT)的孔靜教授領導的國際聯合攻關團隊宣布與臺大、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,可以大幅度降低電阻并且提升電流。正如前文所說,金屬和半導體材料之間的界面會產生了一種叫做金屬誘導的間隙(MIGS)狀態現象,抑制電荷載體的流動。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題。目前,臺積電技術研究部門已經開始“鉍(Bi)沉積制程”技術的研究,這項研究已經成為未來1nm工藝的突破所在。通過這項技術,研究人員可以設計出具有非凡性能的微型化晶體管,可以有效滿足了未來晶體管和芯片技術路線圖的要求。

1nm正慢慢成為現實

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限潛力,未來的計算機或者會隨著超薄半導體材料的成熟展現出全新的姿態。同時我們也要看到,臺積電、IBM都在積極搶占1nm先進制程工藝。關于下一代半導體的競爭已經悄然開始。