Naure杂志采访台积电
　　11月30日，《Nature Electronics》发表了Stuart Thomas对台湾积体电路制造股份有限公司（台积电）低维材料研究负责人Wang Han和首席科学家H.-S. Philip Wong的采访，介绍了台积电在二维材料方面的研究工作。

　　01台积电如何识别和开发新的研究领域？
　　在工业中，通常的思路是确定先进技术的关键瓶颈来选择新的研究领域。在台积电，我们在材料、设备和系统平台层面进行严格的评估，从而了解未来改进的主要障碍，并确定需要创新的领域。
　　下一步，根据性能，成本和可行性研究确定潜在的候选材料和技术来满足这些需求。这通常是通过我们的内部研究工作以及与外部合作伙伴的合作来实现的。在这个阶段，我们也会与学术界进行密切地合作，从而获得更多灵感。
　　台积电是半导体研究公司（SRC）的主要赞助商、校际微电子中心（IMEC）的成员、许多大学主导中心的成员、以及与世界各地选定大学院系的几个联合开发计划的赞助商。这些与研究机构和学术界的合作对于探索新技术创新和推进台积电半导体技术至关重要。通过这些合作，我们还为学术界提供有用的反馈，以帮助塑造他们的研究方向，并增加他们工作对现实世界的影响。
　　02二维材料在未来的电子产品中将扮演什么角色？
　　二维材料具有推进有源电子器件和无源元件的潜力，也具有推进从晶圆加工到封装的微电子制造技术的潜力。例如，使用二维材料作为晶体管的超薄通道材料。在过去的六十年中，晶体管的尺寸不断减小，以便在给定的芯片区域内可以集成更多的电子元件，从而实现强大的系统功能和指数级的成本降低。然而，这种减小硅晶体管尺寸的方法最终会达到其物理极限。
　　从长远来看，新材料和由它们构建的设备将使计算技术的持续改进成为可能。二维材料的一个关键属性：低温制造，将使同一芯片上的多个有源器件层的三维集成成为可能，从而增加器件密度。它们的超薄二维原子形态以及独特的物理和电子特性也将有助于进一步创新。
　　未来的电子技术需要能够以高速和低功耗运行的晶体管。这将需要晶体管通道在长度和厚度上都有所减小。然而，基于块状半导体的晶体管，如硅，锗和III-V族材料，当厚度减少到几纳米时，表面和内部缺陷会大幅增加。这些缺陷阻碍了电子的运动，降低了电流驱动并减慢了电路的速度。
　　二维材料即使在单原子层厚度下也可以保持高晶体质量，因为它们具有晶格几何形状。这种固有的优势确保了减少缺陷，从而在具有亚纳米级通道厚度的高度缩放晶体管中更快地流动电子。有前途的二维材料包括二硫化钨和二硫化钼。在开发基于二维材料的新型存储器和传感器设备方面，也可能存在其他机会。另一方面，我们仍处于二维材料研发的早期阶段，在这些材料达到工业应用标准之前，需要解决许多基础和工程挑战。
　　03从工业研究的角度来看，主要挑战是什么？
　　在潜在应用中使用二维材料面临着几个关键挑战。最具挑战性的是将最佳的二维材料与其最合适的应用相匹配。二维材料系列包括1000多种不同的材质选项，每种材质都具有独特的电子、光学和机械性能。解决这个问题将是一个迭代过程，涉及学术界和工业研究与开发，并要求制造商提供见解，以确保新开发的材料和技术是可制造的。
　　以晶体管为例，尽管许多二维材料已成为晶体管通道的潜在选择，但由于设计可行的技术产品涉及多种权衡，工业界仍然难以选择单一的二维材料。基于建模和仿真的探索可以帮助预测材料和设备的性能，作为材料和设备选项的初始筛选。然而，理论模型通常假设理想化的材料结构和环境。在实际材料中，电子性能不仅受到固有原子晶格的影响，还受到缺陷，杂质，基板，介电环境等的影响。
　　另一个关键挑战是合成符合行业标准的高质量二维材料。对二维材料质量的要求将取决于目标应用，其中晶体管通道是最苛刻的。二维材料片需要可扩展到300毫米晶圆尺寸，并具有出色的均匀性。合成方法需要与芯片制造工艺的其余部分兼容，该工艺有数百个步骤，低于400°C的温度对于工艺兼容性具有吸引力，并且有助于构建三维芯片。目前的低温生长的材料质量较低，因此层转移可能是直接生长方法的重要替代方案。此外，二维材料的自端接表面几乎没有悬垂的键合，也给器件工程带来了新的挑战，例如制造电触点和构建高质量的晶体管栅极堆栈。
　　此外，目前大型300毫米晶圆的二维材料晶体管均匀性和良率以及这些器件的长期可靠性的研究有限。这些都是需要解决的重要工程挑战。
　　04二维材料将如何影响未来的技术和社会？
　　除了在微电子技术方面的潜力外，石墨烯等二维材料还可以作为电池电极的低成本选择进行应用。石墨烯也被提议用于热管理的众多应用，并作为窗户和显示面板的导电保护涂层材料。
　　二维材料也可用于光子学技术，传统上采用不同的材料系统，以覆盖不同的波长范围进行光检测，发射和调制，特别是在中长的波长范围内，其中可用的材料选择有限。现有技术往往需要在性能，可靠性和易于集成方面进行改进，从而有利于夜视、热成像和医疗技术的应用。
　　05台积电的工业研究与学术研究有何不同吗？
　　工业和学术研究工作有不同的重点和价值。学术机构的学术研究高度以发现为中心，从根本上说是由人类对理解未知事物的好奇心驱动的。许多学术研究项目可以纯粹基于科学好奇心，而无需考虑直接的应用潜力。因此，在选择研究方向时具有更大的灵活性，并更加强调概念创新和理解的深度。
　　工业研究通常旨在将基础科学发现转化为实际应用。台积电的企业研究拥有广泛的研究组合，其使命是进行基础和应用研究，以建立一长串的技术选择，来推动半导体技术的创新。与学术研究相比，我们的研究项目往往更注重应用，并且更贴近广泛的半导体行业的需求。
　　台积电的研究活动也会解决可扩充性、可靠性及良率等实际工程问题，并进行技术缩减选择，不仅考虑技术因素，亦考虑成本和兼容性因素。由于缺乏必要的设施，对客户需求的了解有限以及研究重点不同，其中一些研究活动通常不在学术机构进行。
　　06对于有兴趣从学术界转向工业界的早期职业研究人员，有什么建议？
　　工业和学术研究职业之间的选择涉及许多不同因素之间的权衡。哪个可能更适合将取决于个人的职业目标，工作风格和个人优势。
　　试图在学术界和工业研究之间做出决定的年轻研究人员应该首先考虑他们的职业优先事项。学术研究通常能够提供更大的知识自由，但由于可用的资源量更大，工业研究也可以实现个人的创造力和独创性。工业研究实验室中的某些项目可以更有条理，在更大的团队中分担责任。工业研究职业的一个重要好处是，人们将有机会以学术机构无法获得的资源，设施和支持专业知识来推动以应用为导向的研究和开发。新的想法和创新的概念将有更高的机会达到实际应用，并对社会产生积极影响。如果你从这些成就中获得强烈的满足感，那么工业研究可以成为理想的职业道路。
　　学术和工业研究职业之间的另一个主要区别是工作方式和日常活动。除了进行研究外，学术研究人员还将参与资助申请，教学和学生指导。相比之下，工业研究实验室的早期职业研究人员可能会有一个更有条理和更集中的工作范围，这受到一些人的青睐，并可能导致更高的研究生产力。对于正在考虑在学术和行业研究职业之间进行选择的即将毕业的博士生来说，在工业研究实验室实习可能是一种非常有帮助和有益的方式，可以亲自体验这种不同的工作风格。
　　最后，在职业选择时，最重要的是忠于自己。诚实地审视自己的优势和劣势，并尽可能客观地进行评估，以确定您最适合成功的地方以及您的激情所在。制定长期计划并考虑一个人可能想要实现的职业和生活目标也很重要。最后，职业选择并非不可逆转。研究人员从学术界转向工业界的例子很多，反之亦然。在半导体研究领域，无论是在学术界和工业界，目前都是一个激动人心的时刻，任何一个都可以在未来几十年内提供蓬勃发展的职业机会。
　　采访人：Stuart Thomas