半導體技術蓬勃發展,即將面臨積體電路微縮化的三奈米製程極限,因此科學家除改善積體電路中電晶體的基本架構外,亦積極尋找具有優異物理特性且能微縮至原子尺度(小於1奈米)的電晶體材料。

在科技部、國立成功大學、與國家同步輻射研究中心的支持下,成大物理系教授吳忠霖與同步輻射研究中心陳家浩所組成的台灣研究團隊,在全球眾多競爭團隊中脫穎而出,成功地研發出僅有單原子層厚度(0.7奈米)且具優異的邏輯開關特性的二硒化鎢(WSe2)二極體,並在「自然通訊 Nature Communications」雜誌上發表研究成果。

此二維單原子層二極體更輕薄、效率更高,除了可超越「摩爾定律」(Moore’s Law)進行後矽時代電子元件的開發,以追求元件成本/耗能/速度最佳化的產業價值外,並可滿足未來人工智慧晶片與機器學習所需大量計算效能的需求。

二維材料具有許多獨特的物理與化學性質,科學家相信這些性質能為電腦與通訊等領域帶來革命性衝擊。其中與石墨烯(Graphene)同屬二維材料的二硒化鎢,是一種過渡金屬二硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenides,TMDs),能夠在單化合原子層的厚度(約0.7奈米)內展現絕佳的半導體傳輸特性,與傳統矽半導體材料相較,除了厚度上已突破3奈米的製程極限外,也能滿足次世代IC對於更薄、更小、更快的追求。

研究團隊利用同時兼具高亮度、高能量解析、高顯微力的台灣「三高」同步輻射光源,成功觀察到可以利用乘載二維材料的鐵酸鉍(BiFeO3)鐵電氧化物基板,能有效地在奈米尺度下改變單原子層二硒化鎢半導體不同區域的電性。吳忠霖表示,相較以往只能利用元素參雜或加電壓電極等改變電性的方式,本研究無需金屬電極的加入,為極重大的突破。

本研究利用單層二硒化鎢半導體與鐵酸鉍氧化物所組成的二維複合材料,展示了調控二維材料電性無需金屬電極的加入,就能打開和關閉電流以產生1和0的邏輯訊號,這樣能大幅降低電路製程與設計的複雜度,以避免短路、漏電、或互相干擾的情況產生。此外,由於二維材料的厚度極薄,能如同現今先進的晶圓3D堆疊技術一樣,透過堆疊不同類型的二維材料展現不同的功能性。

透過本研究成果,未來若能將此微縮到極限的單原子層二極體組合成各種積體電路,由於負責運算的傳輸電子被限定在單原子層內,因此能大幅地降低干擾並能增加運算速度,預期可超過現今電腦的千倍、萬倍,而且所需的能量極少,大量運算時也不會耗費太多能量達到節能的效果,其各項優點將對現今的數位科技發展帶來重大的影響。