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）