清大、中兴团队突破传统矽晶圆限制 让电子元件在记忆体、电晶体间自由切换

当今半导体产业正面临巨大挑战，随着计算速度不断地提升及电子设备的缩小，开发出新的半导体电子元件势在必行。国家科学及技术委员会（简称国科会）「Å世代前瞻半导体专案计画」於上（1）月发布研究成果，由清华大学电子所博士蔡孟宇、研发长邱博文，以及中兴大学物理系教授林彦甫、资工系教授吴俊霖等人共同组成的研究团队，成功开发出双模式的二维电子元件。该元件不仅突破了传统矽晶圆的物理限制，还为高效能计算和半导体制程简化开启了新的方向，目前相关研究已发表於《自然电子》（Nature Electronics）期刊。
在现代的电子设备中，记忆体（computer memory）与电晶体（transistor）分别是两种具有不同功能的半导体元件。本次研究团队的关键突破，在於创造出一种能在记忆体和电晶体两种模式之间自由切换的电子元件，使得同一个装置可以在需要时变成储存装置或是处理数据的工具。而启动电子元件功能、让它能在两种状态之间自由转换的那把钥匙，就是「光」。为什麽能藉由照光切换电子元件的功能？原因来自於它特殊的设计，这款新型电子元件的结构建立在传统二氧化矽（silicon dioxide）基板之上，并在基板上方堆叠二维凡德瓦异质结构所组成，主要核心材料则包含二维双极性半导体（二硒化铼，rhenium diselenide）及二维绝缘体（六方氮化硼，hexagonal boron nitride）。此结构使光能够诱导二硒化铼生成大量的电子－电洞对，并令其中一方的载子（电子或电洞）注入到六方氮化硼与二氧化矽基板之间的介面，实现电荷极性操控与储存的功能。
当这款元件在未被光照射的情况时会保持着电晶体模式，就像是被「上锁」般，能够维持稳定的开关运算功能。不过当光照射到此新型元件时，它就如同被「解锁」般，可以马上切换到「记忆体模式」，能动态地调整电荷属性、集中度，即可储存数据。而这种突破性的架构，首次使电子元件赋予多重模态，且能灵活切换的可行性成真，也因为可以快速切换应用，在处理复杂的计算和储存功能时更有效率。
此外，这两种模式都能在电子元件中展现各自独特的操作特性。例如在电晶体模式下，它能够根据需要调整成不同类型的电晶体配置，完成从基本到复杂的各类逻辑闸单元，这项能力对於简化现有电子元件的设计及能耗、建构更高效的电路和系统，以及处理复杂的计算任务非常重要。而在记忆体模式则可以模拟人脑的神经突触功能，特别是在结合卷积神经网络（convolutional neural network, CNN）的应用时，它能够有效地参与图像识别过程，大幅提升了处理复杂视觉任务的能力。不仅显示出它在神经形态计算领域的潜力，也为人工智慧（artificial intelligence, AI）技术带来了新的发展方向。未来，这项研究将有机会利用大面积阵列化应用於半导体制程中，实现简化制程、提升效能的目标，更有望一举突破半导体微缩化的瓶颈限制。

新闻来源
国家科学及技术委员会（2024年1月13日）。独特的电晶体－记忆体双模式操作可互换设计　创新二维电子元件引领半导体技术新未来。国家科学及技术委员会，https://www.nstc.gov.tw/folksonomy/detail/ab4a80d9-9b80-4829-ab6f-1d591b26d793?l=ch。