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台灣瀚昱能源林健峰博士團隊整合同步輻射研究中心成功研發出了0.7nm二硒化鎢二極管,這意味著人類終於打破了半導體3nm制程極限,超越了摩爾定律直接進入次奈米時代(<1奈米),也揭示化合物半導體終將取代矽半導體的時代到來。
近年來,科學家除改善集成電路之中的晶體管基本架構外,也積極尋找具有優異物理特性且能微縮至原子尺度(lt;1奈米)的晶體管材料,期望能突破3奈米的極限。
瀚昱能源林健峰博士團隊運用同步輻射研究中心資源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)二極管,並在《自然通訊 Nature Communications》雜誌上發表研究成果。
二硒化鎢(WSe2),主要的結構是由上下各一層硒原子連接中間1層鎢原子所組成。二硒化鎢(WSe2)的熱傳導率大約是熱傳導率最好的鑽石的10萬分之一,是世界上熱傳導率最低的材料。二硒化鎢二極體負責運算的傳輸電子被限定在單原子層內,將大幅降低干擾並增加運算速度,若未來應用在數位裝置,運算速度預期可超過現今電腦千倍、萬倍,而且耗能量極少,可滿足晶片或機器裝備大量耗能需求,或者未來手機充一次電可以使用長達 1個月。
團隊也利用單層二硒化鎢半導體與鐵酸鉍氧化物所組成的二維復合材料,展示調控二維材料電性無需金屬電極,就能打開和關閉電流以產生 1 和 0 邏輯訊號,能大幅降低電路制程與設計複雜度,避免短路、漏電或互相干擾的情況發生。
根據研究團隊介紹,二維單原子層二極管的誕生,更輕薄,效率更高,除了可超越摩爾定律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,還可滿足未來人工智能晶片與機器人學習所需大量運算效能的需求。
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計算機和通信等多方領域帶來革命性衝擊。研究團隊說明,與石墨烯(Graphene)同屬二維材料的二硒化鎢(WSe2),是一種過渡金屬二硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenides, 簡稱TMDs),但是石墨烯不容易成為半導體材料,而二硒化鎢(WSe2)能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,比以往傳統矽半導體材料,除了厚度上已超越3奈米的制程極限外,可完全滿足次世代集成電路所需更薄、更小、更快的需求。
據該研究團隊負責人林健峰博士介紹,WSe2二極管不僅更輕薄,而且效率也更高,除了可以追求元件成本/耗能/速度最佳化的產業價值外,還可滿足未來人工智能晶片、智能裝備與機器人、計算機和通信等諸多領域所需大量計算效能的需求。