科學(xué)家成功研發(fā)出僅有單原子層厚度的二極管

半導(dǎo)體技術(shù)蓬勃發(fā)展，即將面臨積體電路微縮化的三奈米制程極限，因此科學(xué)家除改善積體電路中電晶體的基本架構(gòu)外，亦積極尋找具有優(yōu)異物理特性且能微縮至原子尺度（<1 奈米）的電晶體材料。

***團(tuán)隊：單原子層厚度的二極管

***成大物理系吳忠霖教授與同步輻射研究中心陳家浩博士所組成的國內(nèi)研究團(tuán)隊，在全球眾多競爭團(tuán)隊中脫穎而出，成功地研發(fā)出僅有單原子層厚度(0.7奈米)且具優(yōu)異的邏輯開關(guān)特性的二硒化鎢（WSe2）二極管，并在「自然通訊Nature Communications」雜志上發(fā)表研究成果。

此二維單原子層二極管的誕生，更加輕薄，效率更高，除了可超越『摩爾定律』進(jìn)行后硅時代電子元件的開發(fā)，以追求元件成本/耗能/速度最佳化的產(chǎn)業(yè)價值外，并可滿足未來人工智慧芯片與機(jī)器學(xué)習(xí)所需大量計算效能的需求。

二維材料具有許多獨特的物理與化學(xué)性質(zhì)，科學(xué)家相信這些性質(zhì)能為計算機(jī)和通信等多方領(lǐng)域帶來革命性沖擊。其中與石墨烯（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），能夠在單化合原子層的厚度（約0.7 奈米）內(nèi)展現(xiàn)絕佳的半導(dǎo)體傳輸特性，相比以往的傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體材料，除了厚度上已超越三奈米的制程極限外，可完全滿足次世代積體電路所需更薄、更小、更快的需求。

研究團(tuán)隊利用同時兼具高亮度/高能量解析/高顯微力的***『三高』同步輻射光源，成功觀察到可以利用乘載二維材料的鐵酸鉍（BiFeO3）鐵電氧化物基板，能有效地在奈米尺度下改變單原子層二硒化鎢半導(dǎo)體不同區(qū)域的電性。吳忠霖教授表示，相較以往只能利用元素參雜或加電壓電極等改變電性的方式，本研究無需金屬電極的加入，為極重大的突破。

本研究利用單層二硒化鎢半導(dǎo)體與鐵酸鉍氧化物所組成的二維復(fù)合材料，展示了調(diào)控二維材料電性無需金屬電極的加入，就能打開和關(guān)閉電流以產(chǎn)生1 和0 的邏輯訊號，這樣能大幅降低電路制程與設(shè)計的復(fù)雜度，以避免短路、漏電、或互相干擾的情況產(chǎn)生。此外，由于二維材料的厚度極薄，能如同現(xiàn)今先進(jìn)的晶圓3D 堆疊技術(shù)一樣，透過堆疊不同類型的二維材料展現(xiàn)不同的功能性。

透過本研究成果，未來若能將此微縮到極限的單原子層二極管組合成各種積體電路，由于負(fù)責(zé)運算的傳輸電子被限定在單原子層內(nèi)，因此能大幅地降低干擾并能增加運算速度，預(yù)期可超過現(xiàn)今電腦的千倍、萬倍，而且所需的能量極少，大量運算時也不會耗費太多能量達(dá)到節(jié)能的效果，其各項優(yōu)點將對現(xiàn)今的數(shù)位科技發(fā)展帶來重大的影響，也許手機(jī)充電一次就能連續(xù)使用一個月，而以現(xiàn)階段積極發(fā)展的自動駕駛汽車來說，如果所有的感測、運算速度都比現(xiàn)在快上千、萬倍，行駛霹靂車再也不是夢想。

澳洲團(tuán)隊：用空氣間隙傳送電子

據(jù)美媒稱，電子工程師開發(fā)出一種能通過細(xì)微空氣間隙——而不是硅——來傳送電子的新型晶體管。這一發(fā)展否定了半導(dǎo)體的必要性，提高了該裝置的速度，且降低了過熱的可能性。

據(jù)合眾國際社網(wǎng)站日前報道，研究人員利用這項突破為一種納米芯片開發(fā)出概念驗證設(shè)計，這種芯片的特點是金屬與狹小空氣間隙相結(jié)合，這個工程師團(tuán)隊在《納米通訊》月刊上詳細(xì)介紹了他們的發(fā)明。

皇家墨爾本理工大學(xué)的研究人員什魯?shù)佟つ崽m塔在一份新聞稿中稱：“每臺計算機(jī)和手機(jī)都有數(shù)百萬至數(shù)十億由硅制成的電子晶體管，但這項技術(shù)正在達(dá)到其物理極限，導(dǎo)致硅原子阻礙電流、限制速度并產(chǎn)生熱量。我們的空氣通道晶體管技術(shù)讓電流在空氣中流動，因此不會發(fā)生碰撞使其減速，材料中也沒有產(chǎn)生熱量的阻力?！?/p>

報道稱，在過去十多年中，隨著工程師們設(shè)法將越來越多的晶體管擠進(jìn)硅芯片，計算機(jī)芯片的功率和效率大約每兩年翻一番。但現(xiàn)在的晶體管比最微小的病毒都小，而且技術(shù)專家說，晶體管能小到什么程度是有限的。換句話說，硅基電子產(chǎn)品面臨著一個天花板，而工程師們已經(jīng)在接近這一極限。但基于空氣的納米芯片能夠為研究人員提供通往納米電子新范式的途徑。

尼蘭塔說：“這項技術(shù)在晶體管小型化方面走了另一條路，為的是讓摩爾定律在今后幾十年里依然有效?！?/p>

根據(jù)這項新研究，其概念驗證設(shè)計避免了傳統(tǒng)固體通道晶體管的一個問題：原子太多。研究人員沒有使用真空包裝來降低晶體管密度，而是利用一個狹窄的空氣間隙。

研究人員沙拉特·斯里拉姆說：“這個間隙只有幾十納米，是人類毛發(fā)寬度的5萬分之一，但它足以讓電子誤以為自己是在真空中行進(jìn)，為在納米級空氣間隙內(nèi)的電子重新創(chuàng)造一個虛擬外部空間。”

研究人員認(rèn)為，他們的裝置將很容易與現(xiàn)有電子技術(shù)兼容。

斯里拉姆說：“這是朝著一項激動人心的技術(shù)邁出的一步，這項技術(shù)旨在‘無中生有’、大幅提高電子產(chǎn)品的速度并保持快速技術(shù)進(jìn)步的節(jié)奏。”

量子運算和硅光子是救星？

根據(jù)「摩爾定律」（Moore's law），電晶體將隨著技術(shù)的改良而不斷縮小，目前***與韓國的制程領(lǐng)先全球，已經(jīng)推進(jìn)到7奈米。但一般認(rèn)為當(dāng)演進(jìn)至1奈米，已經(jīng)超過硅材料的物理極限，摩爾定律將碰到天花板，再也走不下去。

針對這樣的困境，***工研院表示2019年跨入「后摩爾定律時代」（beyond Moore's law），技術(shù)上的解方有二：量子運算與硅光子。這兩大技術(shù)也將是2020～2030年半導(dǎo)體技術(shù)演進(jìn)的重要推手。

有別于一般電腦采用0與1的二進(jìn)位制，量子電腦則采用「量子位元（qubit）」，其「疊加（superposition）」的特性，可以同時出現(xiàn)0與1，所以能夠同時處理大量資訊，特別是多變量的數(shù)據(jù)，這也符合未來AI的發(fā)展趨勢。

日本豐田通商（Toyota Tsusho）與電綜（DENSO）便運用量子運算，在泰國建立大規(guī)模交通資訊平臺「TSQUAREアプリ」，利用13萬車輛回報的資訊，進(jìn)行即時交通分析，并回饋給用戶最適合的行車建議。利用量子運算，36萬筆資訊在20微秒（百萬分之一秒）內(nèi)完成，相較現(xiàn)行設(shè)備足足快了1億倍。

現(xiàn)在的資訊傳輸主要是靠電，而硅光子( Silicon Photonics )的技術(shù)，是將「電訊號」改為「光訊號」來傳遞數(shù)據(jù)，以提高傳輸距離、增加資料頻寬與降低單位耗能。

然而硅本身無法發(fā)光，所以光源發(fā)展來自于外界，雷射光則是主要光源。需藉由封裝方式將光源與芯片進(jìn)行組裝，而將雷射直接整合到芯片上，則是未來的目標(biāo)。

另外，硅光子技術(shù)可整合現(xiàn)有半導(dǎo)體CMOS制程，成為業(yè)界頗受矚目的研究方向，但硅光子技術(shù)的難度在于，整合半導(dǎo)體技術(shù)和光學(xué)技術(shù)，仍需要扭轉(zhuǎn)部分技術(shù)開發(fā)的思維與制程。