吳志毅
圖：台大研究團隊(摘自台大新聞稿)
研究及發展微小化元件一直是許多科學家努力的目標，從英特爾共同創辦人高登摩爾（Gordon Moore）在1965年提出的摩爾定律以來，晶片上的電晶體數量每24個月將會成長一倍，成為晶片體積日益縮小、3C成本持續下滑的產業發展法則。然而，長達30年以矽元素為主的電晶體因尺寸不斷的微縮導致許多嚴峻問題，如短通道效應(Short Channel Effect)、接觸電阻(contact resistance)增加、場效載子遷移率下降等，各種解決方案也因應而生，如多閘極、平面全空乏結構與源/汲金屬矽化物等。現今多閘極製程日益複雜、過薄的全空乏元件會因介面散射而犧牲載子遷移率，而金屬矽化物所能降低的接觸電阻也逐漸達到極限，造成矽基電晶體整體效能亦已逼近物理極限。在二奈米世代後，最有可能的元件架構有兩種，一是gate-all-around (GAA)的電晶體，另一條路則是以其他材料來取代矽做為通道層(channel)的電晶體。
因此，科學家們開始尋找元件通道層的替代材料， 相較傳統塊材半導體而言，過渡金屬二硫化物(如:MoS2、WSe2、PtSe2等等)更能將閘極電壓所控制的通道電荷侷限在低介面散射(surface scattering)且達原子級厚度的通道薄膜，即使尺寸微縮後，仍可保有更佳的短通道效應抵抗能力，並具低缺陷的凡德瓦介面，隨厚度減少，載子遷移率相較矽而言，不會大幅度下降。由於各二維材料具備優越的導電、半導及絕緣特性，在學術界及產業界皆受到相當大的關注，也被視為可用來延續已達物理瓶頸的矽材料的任務。
二維材料加入鉍(Bi)電極 大幅改善電流缺陷
由吳志毅教授團隊、台積電與麻省理工學院(MIT)共同合作，在二維材料搭配半金屬鉍(Bi)的電極，可大幅降低電阻並提高電流。此一發現的重要性在於，解決了二維材料原本在電流上的缺陷，使其高性能、低功耗的效能幾與矽一致，並且讓二維材料可進一步微縮的物理特性充份發揮，有助實現矽半導體難以達成的1奈米以下；原子級電晶體願景。三方國際合作下共同於2021年在國際頂尖期刊《自然》(Nature)上發表的論文〈半金屬和單層半導體之間的超低接觸電阻〉(Ultralow contact resistance between semimetal and monolayer semiconductors)，首度提出利用半金屬鉍(Bi)作為二維材料的接觸電極達到該領域創紀錄的極低電阻值，顯示運用二維材料做為未來原子級電晶體技術的潛力；該創新的成果可說是意料之外的驚喜，而半金屬鉍的材料特性，能大幅降低金屬與半導體間的能量障礙(energy barrier)，還能在半金屬鉍沉積時不破壞二維材料的原子結構。與此同時，我們將該技術應用在包括MoS2、WS2、WSe2在內的數種二維半導體元件上皆達到優異的電特性成果。
展現台大學術實力、維持下世代產業競爭力
除了半金屬鉍的新發現，台大吳志毅教授實驗室更進一步運用氦離子束微影系統(Helium-ion beam lithography)，將元件通道縮小至奈米尺寸。吳志毅教授表示，此項最新發現，可將單原子層二維材料的電晶體效能推升至與矽基半導體相當，同時又與目前主流矽製程相容，不僅有助突破摩爾定律的極限，讓5G、AI等未來科技的生活應用出現更多可能性，同時也具備兩大意義。一是學術競爭力，台灣獨特的科技教育及完整的產業環境，讓國內先進研發較各國更具優勢；二是產業競爭力，此類研究成果回饋給國內產業界，未來若取得商用上重大突破，將有助國內半導體及科技供應鏈繼續維持全球領先地位。
此研究的成功顯示了這項研究從基礎到應用科學建立了成功的產學合作模式，共同第一作者沈品均博士和周昂昇博士表示，能讓台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合作大聯盟計畫功不可沒，由於時差因素，雙方無論信件或電話討論都是分秒必爭，能和諸多頂尖學者交流是學術生涯最難能可貴的經驗。且有趣的是，沈品均與周昂昇兩位作者都曾是台大光電所的碩士生，而後一位出國深造一位深耕台灣，多年後甚至一同加入了台積電繼續致力於半導體研究的發展，實屬有緣。