【半导体汇总】芯片超级重磅！台积电研发实现1奈米关键技术 携麻省理工学院突破极限 追赶美国IBM新发2奈米有成

全球晶圆代工领头羊台积电开创新路，自2019年与台湾大学与美国麻省理工学院(MIT)展开合作研究，终于突破极限成功发现二维材料结合结合半金属铋能达到极低的电阻，有助于实现1奈米以下挑战。这意味着，台积电追赶美国IBM新研发的2奈米技术有成，消息传出后震撼市场。

新研究已在美国杂志《自然》(Nature)期刊公开发表，半导体行业投资者需要到，硅基半导体主流制程目前已进展至5奈米和3奈米节点，芯片单位面积能容纳的电晶体数目，也将逼近半导体主流材料硅的物理极限，也就是说芯片效能无法再逐年显著提升。

美国IBM此前向供应链投下震撼弹，宣布取得芯片技术突破，成功制造出2奈米芯片。相比台积电目前最新预计要到2022年下半年才可能量产3奈米，现如今恐怕龙头地位不保。路透社援引美国IBM所指，2奈米技术能让芯片速度比当今主流的7奈米芯片提升45%，能源效率也将有效提升。

尽管2奈米芯片制造技术可能还需要花费数年才能投入半导体市场，但相较于台积电目前仅进入制程技术和研发阶段，美国IBM抢先发表显然受到投资市场高度关注。而要谈到台积电何去何从，就必须提到环绕闸极技术(GAA)和鳍式场效电晶体(FinFET)。美国IBM所发表的2奈米芯片使用GAA技术，而其合作伙伴韩国三星也在去年就宣布在3奈米导入GAA架构。

作为半导体领域投资者的你，必须意识到奈米芯片制程对企业的重要性。具体来说，制程越小越好，手机芯片效能将会变得更快，而且更不容易发烫。iPhone 4所搭载的苹果A4处理器为40奈米制程，而使用在iPhone 11上的苹果A13处理器为7奈米制程，更小的制程能够在同样的尺寸中放入更多的运算单元，让效能更好、发热更少、更省电。再用更白话的方式来说，拿出你3年前的手机来滑两下，你就能明显感受到效能和发热的巨大差别。

一直以来，科学界都对二维材料寄予厚望，却苦于无法解决二维材料高电阻和低电流等问题，使取代硅成为新兴半导体材料的事情，始终都处于只闻楼梯响的阶段，迟迟没有任何进展。但此次由台积电联合台湾大学和麻省理工学院共同发表的研究，首先由麻省理工团队发现在二维材料上搭配半金属铋(Bi)的电极，能大幅降低电阻并提高传输电流。

随后台积电技术研究部门将铋沉积制程进行优化，台湾大学团队再运用氦离子束微影系统(Helium-ion beam lithography)将元件通道成功缩小至奈米尺寸，终于获得这项突破性的研究成果。

台湾大学电机系暨光电所教授吴志毅表示，研究发现在使用铋为接触电极的关键结构后，二维材料电晶体的效能不但与硅基半导体相当，又有潜力与目前主流的硅基制程技术相容，实有助于未来突破摩尔定律的极限。

吴志毅也提到，尽管目前还处于研究阶段，但该成果能替下世代芯片提供省电、高速等绝佳条件，未来有望投入人工智慧、电动车、疾病预测等新兴科技的应用中，民众都能受惠。

美国麻省理工学院的沈品均博士是本论文的第一作者和通讯作者，他表示，过去半导体使用三维材料，物理特性和元件结构发展到3奈米制程节点，这次研究改用二维材料，厚度可小于1奈米(1至3层原子厚)，更逼近固态半导体材料厚度的极限。

至于半金属铋的材料特性，沈品均说道：“其能消除与二维半导体接面的能量障碍，而且半金属铋沉积时，也不会破坏二维材料的原子结构，台湾大学团队运用下一世代的微影技术，通过氦离子束微影系统，将元件缩小至奈米尺寸，获得突破性成果。”