研发报告详细内容

台湾团队成功研发出单原子层二极体,厚度仅 0.7 nm

      材料来源:Technews

积体电路制程突破,由成功大学物理系吴忠霖教授、国家同步辐射研究中心陈家浩博士等人组成的团队,成功研发出仅单原子层厚度(0.7 nm)且具优异逻辑开关特性的二硒化钨二极体。据团队说法,负责运算的传输电子被限定在单原子层内,将大幅降低干扰并增加运算速度,若未来应用在数位装置,运算速度预期可超过现今电脑千倍、万倍。

市场上,台积电正在发展 3 nm投资计划,3 nm制程新厂预计 2022 年底第一期开始量产;而实验室中的科学家则积极寻找能微缩至原子尺度(小于 1 nm)的电晶体材料,希望让数位装置变得更加轻薄、效率更高。

压缩至原子级的二维材料具有许多独特物理与化学特性,比如材料界神话石墨烯(Graphene),就是第一个被发现仅碳原子厚度的二维材料,导电度极佳。此外,由于厚度极薄,透过堆栈不同类型的二维材料能展现出不同功能性。

但成功大学物理系教授吴忠霖说,石墨烯不容易成为半导体材料,因此团队决定选用另一种与石墨烯同属二维材料的过渡金属硫属化合物(Transition Metal Dichalcogenides,TMDs):二硒化钨(WSe 2 ),并成功研发出厚度仅 0.7 nm、又具优异逻辑开关特性的二硒化钨二极体。

相比以往传统的硅半导体材料,吴忠霖说,二硒化钨二极体厚度上已超越三nm制程极限,可完全满足次世代积体电路所需更薄、更小、更快的需求。

在实验中,团队也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,展示调控二维材料电性无需金属电极,就能打开、关闭电流以产生 1 和 0 逻辑讯号,能大幅降低电路制程与设计复杂度,避免短路、漏电或互相干扰的情况发生。

虽然该研究成果还只限于实验室中,但未来若能将此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,将能大幅增加运算速度,预期可超过现今电脑运算速度千倍甚至万倍,而且耗能量极少,可满足人工智能芯片或机器学习的大量运算需求,或者未来手机充一次电可以使用长达 1 个月。


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