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當今半導體產業正面臨巨大挑戰，隨著計算速度不斷地提升及電子設備的縮小，開發出新的半導體電子元件勢在必行。國家科學及技術委員會（簡稱國科會）「Å世代前瞻半導體專案計畫」於上（1）月發布研究成果，由清華大學電子所博士蔡孟宇、研發長邱博文，以及中興大學物理系教授林彥甫、資工系教授吳俊霖等人共同組成的研究團隊，成功開發出雙模式的二維電子元件。該元件不僅突破了傳統矽晶圓的物理限制，還為高效能計算和半導體製程簡化開啟了新的方向，目前相關研究已發表於《自然電子》（Nature Electronics）期刊。
 
在現代的電子設備中，記憶體（computer memory）與電晶體（transistor）分別是兩種具有不同功能的半導體元件。本次研究團隊的關鍵突破，在於創造出一種能在記憶體和電晶體兩種模式之間自由切換的電子元件，使得同一個裝置可以在需要時變成儲存裝置或是處理數據的工具。而啟動電子元件功能、讓它能在兩種狀態之間自由轉換的那把鑰匙，就是「光」。為什麼能藉由照光切換電子元件的功能？原因來自於它特殊的設計，這款新型電子元件的結構建立在傳統二氧化矽（silicon dioxide）基板之上，並在基板上方堆疊二維凡德瓦異質結構所組成，主要核心材料則包含二維雙極性半導體（二硒化錸，rhenium diselenide）及二維絕緣體（六方氮化硼，hexagonal boron nitride）。此結構使光能夠誘導二硒化錸生成大量的電子－電洞對，並令其中一方的載子（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，實現電荷極性操控與儲存的功能。
 
當這款元件在未被光照射的情況時會保持著電晶體模式，就像是被「上鎖」般，能夠維持穩定的開關運算功能。不過當光照射到此新型元件時，它就如同被「解鎖」般，可以馬上切換到「記憶體模式」，能動態地調整電荷屬性、集中度，即可儲存數據。而這種突破性的架構，首次使電子元件賦予多重模態，且能靈活切換的可行性成真，也因為可以快速切換應用，在處理複雜的計算和儲存功能時更有效率。
 
此外，這兩種模式都能在電子元件中展現各自獨特的操作特性。例如在電晶體模式下，它能夠根據需要調整成不同類型的電晶體配置，完成從基本到複雜的各類邏輯閘單元，這項能力對於簡化現有電子元件的設計及能耗、建構更高效的電路和系統，以及處理複雜的計算任務非常重要。而在記憶體模式則可以模擬人腦的神經突觸功能，特別是在結合卷積神經網絡（convolutional neural network, CNN）的應用時，它能夠有效地參與圖像識別過程，大幅提升了處理複雜視覺任務的能力。不僅顯示出它在神經形態計算領域的潛力，也為人工智慧（artificial intelligence, AI）技術帶來了新的發展方向。未來，這項研究將有機會利用大面積陣列化應用於半導體製程中，實現簡化製程、提升效能的目標，更有望一舉突破半導體微縮化的瓶頸限制。

 
新聞來源
國家科學及技術委員會（2024年1月13日）。獨特的電晶體－記憶體雙模式操作可互換設計　創新二維電子元件引領半導體技術新未來。國家科學及技術委員會，https://www.nstc.gov.tw/folksonomy/detail/ab4a80d9-9b80-4829-ab6f-1d591b26d793?l=ch。