台湾瀚昱能源林健峰博士团队整合同步辐射研究中心成功研发出了0.7nm二硒化钨二极管,这意味着人类终于打破了半导体3nm制程极限,超越了摩尔定律直接进入次纳米时代(<1纳米),也揭示化合物半导体终将取代硅半导体的时代到来。

近年来,科学家除改善集成电路之中的晶体管基本架构外,也积极寻找具有优异物理特性且能微缩至原子尺度(lt;1纳米)的晶体管材料,期望能突破3纳米的极限。

瀚昱能源林健峰博士团队运用同步辐射研究中心资源研发出仅有单原子层厚度(0.7纳米)且具优异的逻辑开关特性的二硒化钨(WSe2)二极管,并在《自然通讯 Nature Communications》杂志上发表研究成果。

二硒化钨(WSe2),主要的结构是由上下各一层硒原子连接中间1层钨原子所组成。二硒化钨(WSe2)的热传导率大约是热传导率最好的钻石的10万分之一,是世界上热传导率最低的材料。二硒化钨二极体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,而且耗能量极少,可满足芯片或机器装备大量耗能需求,或者未来手机充一次电可以使用长达 1个月。

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,就能打开和关闭电流以产生 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。

根据研究团队介绍,二维单原子层二极管的诞生,更轻薄,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,还可满足未来人工智能芯片与机器人学习所需大量运算效能的需求。

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。研究团队说明,与石墨烯(Graphene)同属二维材料的二硒化钨(WSe2),是一种过渡金属二硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenides,简称TMDs),但是石墨烯不容易成为半导体材料,而二硒化钨(WSe2)能在单化合原子层的厚度(约0.7纳米)内展现绝佳的半导体传输特性,比以往传统硅半导体材料,除了厚度上已超越3纳米的制程极限外,可完全满足次世代集成电路所需更薄、更小、更快的需求。

据该研究团队负责人林健峰博士介绍,WSe2二极管不仅更轻薄,而且效率也更高,除了可以追求元件成本/耗能/速度最佳化的产业价值外,还可满足未来人工智能芯片、智能装备与机器人、计算机和通信等诸多领域所需大量计算效能的需求。