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积体电路制程重大突破 台团队研究登国际期刊

台湾团队成功研发出超越摩尔定律的二维单原子层二极体,并在自然通讯杂志上发表成果,图为结构示意图。(科技部提供)
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【大纪元2018年11月21日讯】(大纪元记者钟元台北报导)台湾国立成大物理系教授吴忠霖与同步辐射研究中心陈家浩博士所组成的研究团队,研发出仅有单原子层厚度、约0.7奈米,且具优异逻辑开关特性的二硒化钨(WSe2二极体,并在自然通讯杂志上发表成果。

半导体技术蓬勃发展,即将面临积体电路微缩化的三奈米制程极限,因此科学家除改善积体电路中电晶体的基本架构外,也积极寻找具有优异物理特性且能微缩至原子尺度(<1奈米)的电晶体材料。

中华民国科技部、国立成功大学,与国家同步辐射研究中心的支持下,台湾团队在积体电路研发上有重大突破。学者找到0.7奈米电晶体材料,此二维单原子层二极体的诞生,更加轻薄,效率更高,除了可超越“摩尔定律”进行后硅时代电子元件的开发,以追求元件成本/耗能/速度最佳化的产业价值外,并可满足未来人工智慧晶片与机器学习所需大量计算效能的需求。

二维材料具有许多独特的物理与化学性质,科学家相信这些性质能为计算机和通信等多方领域带来革命性冲击。其中与石墨烯(Graphene)同属二维材料的二硒化钨,是一种过渡金属二硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenides, 简称TMDs)。

研究团队表示,二硒化钨能够在单化合原子层的厚度(约0.7奈米)内展现绝佳的半导体传输特性,相比以往的传统硅半导体材料,除了厚度上已超越三奈米的制程极限外,可完全满足次世代积体电路所需更薄、更小、更快的需求。

积体电路制程重大突破 台团队研究登国际期刊
台湾团队成功研发出超越摩尔定律的二维单原子层二极体。(科技部提供)

研究团队利用同时兼具高亮度/高能量解析/高显微力的台湾“三高”同步辐射光源,成功观察到可以利用乘载二维材料的铁酸铋(BiFeO3)铁电氧化物基板,能有效地在奈米尺度下改变单原子层二硒化钨半导体不同区域的电性。吴忠霖教授表示,相较以往只能利用元素参杂或加电压电极等改变电性的方式,本研究无需金属电极的加入,为极重大的突破。

这项研究利用单层二硒化钨半导体,与铁酸铋氧化物所组成的二维复合材料,展示了调控二维材料电性无需金属电极的加入,就能打开和关闭电流以产生1和0的逻辑讯号,这样能大幅降低电路制程与设计的复杂度,以避免短路、漏电,或互相干扰的情况产生。此外,由于二维材料的厚度极薄,能如同现今先进的晶圆3D堆叠技术一样,透过堆叠不同类型的二维材料展现不同的功能性。

研究团队说,透过这项研究成果,未来若能将此微缩到极限的单原子层二极体组合成各种积体电路,由于负责运算的传输电子被限定在单原子层内,因此能大幅地降低干扰并能增加运算速度,预期可超过现今电脑的千倍、万倍,而且所需的能量极少,大量运算时也不会耗费太多能量达到节能的效果。

科技部表示,这项研究成果将对数位科技发展带来重大的影响,也许手机充电一次就能连续使用一个月,而以现阶段积极发展的自动驾驶汽车来说,如果所有的感测、运算速度都比现在快上千、万倍,行驶霹雳车再也不是梦想。#

责任编辑:林妍

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