目前，半導體主流制程主要采用硅作為主流材料。然而，隨著摩爾定律不斷延伸，芯片制程不斷縮小，芯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硅的物理極限，芯片的性能也很難再進一步提升。盡管一直以來科學界對二維材料寄予厚望，卻苦于無法解決二維材料高電阻、及低電流等問題，以至于取代硅成為新興半導體材料一事，始終是空中樓閣。

　　先進的超硅電子技術要求同時發現溝道材料和超低電阻觸點。原子薄的二維半導體在實現高性能電子器件方面有很大的潛力。然而，由于金屬誘導隙態（MIG）金屬-半導體界面上的能量勢壘從根本上導致高接觸電阻和低電流傳輸能力，迄今為止限制了二維半導體晶體管的改進。

　　臺灣大學、臺積電與美國麻省理工學院使用半金屬鉍（Bi）材料制作二維材料的接觸電極，可大幅降低電阻并提高電流，促進更小芯片制程的開發。

　　研究人員制作了半金屬鉍和半導電單層過渡金屬二鹵化物（TMD）之間的歐姆接觸，其中MIG被充分抑制，TMD中的簡并態在與鉍接觸時自發形成。通過這種方法，在單分子膜MoS₂上實現了零肖特基勢壘高度、123歐姆微米的接觸電阻和1135微安/微米的通態電流密度，這兩個值分別是有記錄以來的最低值和最高值。研究人員還證明了在各種單分子膜半導體，包括MoS₂，WS₂和WSe₂上可以形成良好的歐姆接觸，接觸電阻是二維半導體的一個重大改進，接近量子極限。這項技術揭示了高性能單層晶體管的潛力，這種晶體管與最先進的三維半導體不相上下，可以進一步縮小器件尺寸，擴展摩爾定律。

　　在這項工作中，麻省理工學院團隊首先發現半金屬鉍（Bi）作為電極的可能性，隨后臺積電技術研究部門將鉍沉積制程進行優化，臺灣大學團隊運用氦離子束微影系統將元件通道成功縮小至納米尺寸。這項新技術的突破，將解決二維半導體進入產業界的主要問題，是集成電路能在后摩爾時代繼續前進的重要技術。

　　此次利用半金屬鉍（Bi）作為二維材料的接觸電極可謂是邁向1nm甚至更先進制程的關鍵一步。隨著芯片制程的不斷延伸，每突破一步都是非常困難，在未來1nm甚至1nm以下的工藝中，如何能夠把控好性能與功耗之間的平衡是目前需要突破的一大技術瓶頸。

　　這項新技術的突破，將解決二維半導體進入產業界的主要問題，是集成電路能在后摩爾時代繼續前進的重要技術。

圖1 半金屬半導體接觸間隙態飽和的概念示意圖

　　該研究成果發表在《Nature》,2021，593：211–217 (2021), 題目：“Ultralow contact resistance between semimetal and monolayer semiconductors”。