清大、興大團隊開發新穎二維電子元件,記憶體、電晶體 2 種模式一體切換

2024-01-15 14:17:00    編輯: Emma stein
導讀 當今所有電腦都採用馮紐曼架構,但隨著數據處理量越來越多,計算單元從儲存單元提取資料的耗能一面也逐漸展現。來自清華大學、中興大學電機、物理、資工等跨領域專家組成的團隊,最近提出一種創新二維電子元件,只...


當今所有電腦都採用馮紐曼架構,但隨著數據處理量越來越多,計算單元從儲存單元提取資料的耗能一面也逐漸展現。來自清華大學、中興大學電機、物理、資工等跨領域專家組成的團隊,最近提出一種創新二維電子元件,只需用光充當鑰匙開關,就能使元件在記憶體、電晶體 2 種模式之間自由切換。

隨著科技飛速進展、電子元件越做越小,不斷微縮正面對的瓶頸就是矽(silicon)材料物理極限,因此半導體技術新方向是提出新材料、新結構。

隨著晶片尺寸越做越小,矽晶體其中一個缺點在於微縮後存在短通道缺陷,而 2D 材料優勢在於微縮化仍保有高效能(短通道)、可多層堆疊,加上可重構電晶體(RFET)元件特色如:多閘極、電路設計簡化、n/p 型極性轉換等,由國立清華大學電子所蔡孟宇博士、研發長邱博文教授、國立中興大學物理系林彥甫教授、資工系吳俊霖教授等人組成的團隊,為此成功開發出新穎的 2D 雙模式可重構電晶體(Dual-mode RFET),能利用光子控制電子元件在「記憶體」、「電晶體」2 種模式之間自由切換功能。

團隊表示,這種元件建立在傳統二氧化矽基板之上,堆疊二維凡德瓦異質結構,主要核心材料為二維雙極性半導體(二硒化錸)、二維絕緣體(六方氮化硼),當光照射二硒化錸,光子能量能誘導二硒化錸生成大量電子-電洞對,使其中一方載子(電子或電洞)注入到六方氮化硼與二氧化矽基板之間的介面,此時元件立刻切換到「記憶體模式」,能動態調整電荷屬性和集中度以存儲數據。

如果沒有光照射,元件就會保持在「電晶體模式」,邱博文教授指出,元件在「電晶體模式」下能根據需求自由調整成 N 型或 P 型配置,實現各類邏輯閘單元,對簡化現有電子元件的設計及能耗、建構更高效電路系統、處理複雜計算任務非常重要。

▲ 清大、興大團隊開發 2D 雙模式可重構電晶體,由清華大學電子所蔡孟宇博士手持樣品。(Source:國科會提供)

目前全世界手機和電腦都採用馮紐曼架構(Von Neumann architecture),也就是儲存裝置與中央處理器完全分開,中央處理器要存取資料就需從記憶體拉資料出來,來來往往相當耗能,因此後來衍生出記憶體內運算。

而團隊的創新元件就像將 CPU、記憶體「融為一體」,突破傳統矽晶圓物理限制,能大幅降低耗能、簡化 IC 製造流程,讓整體電子元件擁有多重模態、靈活切換能力。

這項研究未來有機會利用大面積陣列化應用於半導體製程中,突破半導體微縮化瓶頸,團隊則希望未來能進展到使用電子能量驅動元件。

該論文於去(2023)年 9 月發表在《自然電子》(Nature Electronics)期刊。

(首圖來源:科技新報)



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標題:清大、興大團隊開發新穎二維電子元件,記憶體、電晶體 2 種模式一體切換

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