目前，半导体主流制程主要采用硅作为主流材料。然而，随着摩尔定律不断延伸，芯片制程不断缩小，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，芯片的性能也很难再进一步提升。尽管一直以来科学界对二维材料寄予厚望，却苦于无法解决二维材料高电阻、及低电流等问题，以至于取代硅成为新兴半导体材料一事，始终是空中楼阁。

　　先进的超硅电子技术要求同时发现沟道材料和超低电阻触点。原子薄的二维半导体在实现高性能电子器件方面有很大的潜力。然而，由于金属诱导隙态（MIG）金属-半导体界面上的能量势垒从根本上导致高接触电阻和低电流传输能力，迄今为止限制了二维半导体晶体管的改进。

　　台湾大学、台积电与美国麻省理工学院使用半金属铋（Bi）材料制作二维材料的接触电极，可大幅降低电阻并提高电流，促进更小芯片制程的开发。

　　研究人员制作了半金属铋和半导电单层过渡金属二卤化物（TMD）之间的欧姆接触，其中MIG被充分抑制，TMD中的简并态在与铋接触时自发形成。通过这种方法，在单分子膜MoS₂上实现了零肖特基势垒高度、123欧姆微米的接触电阻和1135微安/微米的通态电流密度，这两个值分别是有记录以来的最低值和最高值。研究人员还证明了在各种单分子膜半导体，包括MoS₂，WS₂和WSe₂上可以形成良好的欧姆接触，接触电阻是二维半导体的一个重大改进，接近量子极限。这项技术揭示了高性能单层晶体管的潜力，这种晶体管与最先进的三维半导体不相上下，可以进一步缩小器件尺寸，扩展摩尔定律。

　　在这项工作中，麻省理工学院团队首先发现半金属铋（Bi）作为电极的可能性，随后台积电技术研究部门将铋沉积制程进行优化，台湾大学团队运用氦离子束微影系统将元件通道成功缩小至纳米尺寸。这项新技术的突破，将解决二维半导体进入产业界的主要问题，是集成电路能在后摩尔时代继续前进的重要技术。

　　此次利用半金属铋（Bi）作为二维材料的接触电极可谓是迈向1nm甚至更先进制程的关键一步。随着芯片制程的不断延伸，每突破一步都是非常困难，在未来1nm甚至1nm以下的工艺中，如何能够把控好性能与功耗之间的平衡是目前需要突破的一大技术瓶颈。

　　这项新技术的突破，将解决二维半导体进入产业界的主要问题，是集成电路能在后摩尔时代继续前进的重要技术。

图1 半金属半导体接触间隙态饱和的概念示意图

　　该研究成果发表在《Nature》,2021，593：211–217 (2021), 题目：“Ultralow contact resistance between semimetal and monolayer semiconductors”。