日前，由北大才女孔靜教授領(lǐng)導的一支國際聯(lián)合攻關(guān)團隊，成功攻克了半導體領(lǐng)域的二維材料的連接難題，這項成果將使晶圓的制程從納米級，微觀到原子級。

孔靜（女）教授和學生

先進技術(shù)可能使“2D”晶體管成為更小的微芯片元件

原子級薄材料是硅基晶體管的一種有前途的替代品；現(xiàn)在，研究人員可以更有效地將它們連接到其他芯片元件上

摩爾定律是一個著名的預測，即可以封裝在微芯片上的晶體管數(shù)量每隔幾年就會翻一番，它已經(jīng)達到了基本的物理極限。除非找到新的方法，否則這些限制可能會使幾十年的進展停滯不前。

正在探索的一個新方向是使用原子級薄材料代替硅作為新晶體管的基礎(chǔ)，但是將這些“2D”材料與其他傳統(tǒng)電子元件連接起來被證明是困難的。

現(xiàn)在，孔靜教授領(lǐng)導的國際聯(lián)合攻關(guān)團隊已經(jīng)找到了一種制造這些電連接的新方法，這可能有助于釋放2D材料的潛力，進一步實現(xiàn)元件的小型化——研究人員說，這可能足以擴展摩爾定律，至少在不久的將來。

“我們解決了半導體器件微型化中最大的問題之一，即金屬電極與單層半導體材料之間的接觸電阻，”研究人員說。事實證明，解決辦法很簡單:用半金屬元素鉍代替普通金屬與單層材料連接。

這種超薄單層材料，在這種情況下是二硫化鉬，被視為硅基晶體管技術(shù)目前面臨的小型化限制的主要競爭者。但研究人員說，在這種材料和金屬導體之間建立一個高效、高導電性的界面，以便將它們相互連接，并連接到其他設(shè)備和電源，是阻礙這種解決方案進展的一個挑戰(zhàn)。

金屬和半導體材料(包括這些單層半導體)之間的界面產(chǎn)生了一種稱為金屬誘導間隙狀態(tài)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象導致肖特基勢壘的形成，肖特基勢壘是一種抑制電荷載流子流動的現(xiàn)象。半金屬的電子性質(zhì)介于金屬和半導體之間，結(jié)合兩種材料之間適當?shù)哪芰颗帕校罱K消除了這個問題。

研究人員解釋說，構(gòu)成計算機處理器和存儲芯片的晶體管的快速小型化在2000年左右就已經(jīng)停滯不前，直到2007年一種允許在芯片上實現(xiàn)半導體器件三維架構(gòu)的新發(fā)展打破了僵局，快速進展才得以恢復。但現(xiàn)在，他說，“我們認為我們正處于另一個瓶頸的邊緣。”

所謂的二維材料，只有一個或幾個原子厚的薄片，滿足了晶體管小型化進一步飛躍的所有要求，有可能將一個稱為溝道長度的關(guān)鍵參數(shù)減少幾倍——在當前的尖端芯片中，從大約5到10納米，到亞納米尺度。各種這樣的材料正在被廣泛探索，包括一個被稱為過渡金屬雙金屬化合物的完整家族。新實驗中使用的二硫化鉬屬于這個家族。

實現(xiàn)與這種材料的低電阻金屬接觸的問題，也阻礙了對這些新型單層材料的物理基礎(chǔ)研究。因為現(xiàn)有的連接方法具有如此高的電阻，所以監(jiān)控材料中電子行為所需的微小信號太弱而無法通過。“有許多物理方面的例子要求金屬和半導體之間的接觸電阻要低。所以，這也是物理學界的一個大問題，”研究人員說。

找出如何在商業(yè)水平上擴大和集成這樣的系統(tǒng)可能需要一些時間，并且需要進一步的工程設(shè)計。但是對于這樣的物理應用，研究人員說，新發(fā)現(xiàn)的影響可以很快感受到。“我認為在物理學中，許多實驗可以立即從這項技術(shù)中受益，”研究人員說。

與此同時，研究人員繼續(xù)進一步探索，繼續(xù)縮小他們的設(shè)備尺寸，并尋找其它配對的材料，可能使更好的電接觸到其他類型的電荷載流子，即所謂的空穴。他們說，他們解決了所謂的N型晶體管的問題，但如果他們能找到溝道和電接觸材料的組合，也能實現(xiàn)有效的單層P型晶體管，這將為下一代芯片開辟許多新的可能性。

這項發(fā)現(xiàn)發(fā)表在了《自然》期刊上，這個項目的負責人是1997年畢業(yè)于北京大學的孔靜教授。

論文的貢獻一欄顯示，孔靜教授是項目的領(lǐng)導者，研究方向制定者并設(shè)計了實驗，參與了論文撰寫。

國內(nèi)媒體認為本項目是臺積電的科研成果，這是錯誤的，這個過程是這樣的，首先由孔靜教授領(lǐng)導的美國麻省理工團隊，發(fā)現(xiàn)在二維材料上搭配半金屬鉍（Bi）的電極，能大幅降低電阻并提高傳輸電流。隨后臺積電技術(shù)研究部門（Corporate Research）將鉍（Bi）沉積制程進行優(yōu)化，臺大團隊并運用氦離子束微影系統(tǒng)（Helium-ion beam lithography）將元件信道成功縮小至納米尺寸，終于獲得這項突破性的研究成果。

簡單說來，孔靜的麻省理工團隊是科學發(fā)現(xiàn)者，臺積電和臺大是納米級實驗的實現(xiàn)者，臺大、臺積電也沒有在這項專利中署名：

在論文的利益聲明中顯示，孔靜教授及其學生沈品均博士是專利權(quán)人，其中未見臺積電的周昂升博士署名。

這個國際化研究團隊單位成員，除了麻省理工學院和臺積電、中國臺灣大學以外，還包括加州大學伯克利分校，該團隊還包括勞倫斯·伯克利國家實驗室、和沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學的研究人員。

北大才女孔靜其人

孔靜于1997年獲得北京大學化學學士學位，2002年在斯坦福大學獲得化學博士學位。從2002年到2003年，她在NASA Ames研究中心擔任研究科學家；從2003年到2004年，她在代爾夫特大學擔任博士后研究員。她于2004年加入麻省理工學院電氣工程和計算機科學系。

孔靜教授的研究興趣集中在將單個碳納米管的合成和制造結(jié)合起來并將其集成到電路中的問題。她的研究應用包括使用碳納米管作為極其敏感的化學傳感器來檢測有毒氣體。

孔靜教授是美國化學學會，美國物理學會和材料研究學會的成員。她在2001年獲得了2001年納米技術(shù)預見杰出學生獎，在2002年獲得了斯坦福大學物理化學年度評論獎，并在2005年獲得了MIT 3M獎。

孔靜教授還是麻省理工學院（MIT）電子研究實驗室的首席研究員RLE。

寫在最后，希望有一天孔靜教授能回到祖國、回到北大，為中國的半導體科學的進步貢獻自己的力量，畢竟科學無國界！

#全能創(chuàng)作家#

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