清大開發新元件  新一代積體電路核心

國立清華大學在國家科學及技術委員會(國科會)經費支持下,成功開發新型「凡德瓦爾異質結構」,讓能谷極化可透過電操控方法來達成,甚至還有機會利用此元件,實現全新半導體編碼技術、大量資料處存、量子運算,成為新一代積體電路的核心,提高臺灣半導體國際競爭力。

清大在國科會經費支持下研發有機會成新一代積體電路核心的元件。圖片來源:國科會

國科會指出,從個人電腦、智能電子產品、電動汽車、物聯網、到5G通訊產業,都與半導體工業循著摩爾定律發展,為科技和社會帶來許多變革有關,現今摩爾定律發展,逐漸逼近矽材料的物理極限,加上人們對運算速度需求,探索可在更小空間中進行運算的新材料,並利用材料的獨特性質,提供的額外自由度,在相同空間內計算更多的位元,藉以延續摩爾定律,已成全球半導體產業關注議題。

國科會說明,能谷電子元件是利用材料獨特的電子能帶結構,在特定條件下,可將資訊存儲在獨立不同的電子能谷(Energy valley),符合上述提及,透過額外自由度、延續摩爾定律等條件,增強電路之運算能力和數據儲存密度。單層過渡金屬二硫族化合物,被視為發展能谷元件的理想半導體材料,但利用激發光的圓偏振特性,並不容易達到能谷自旋極化現象。

由清大劉昌樺、鄭弘泰、邱博文等3名教授組成的研究團隊表示,新型凡德瓦爾異質結構,包含由新穎的二維層狀磁性材料(Fe3GeTe2),和數原子厚的二維絕緣體(六方氮化硼)所構成的磁穿隧電極,利用Fe3GeTe2此材料的優異特性,透過實驗和理論,證實此穿隧電極,可將自旋載子注入過渡金屬二硫族化合物的特定能谷中,產生能谷極化,並初步驗證能谷電子元件,在未來能被實際應用的可能性。

研究團隊強調,單層二維磁性材料,自2017年首度被證明可單獨存在,便成為新的研究熱點,許多團隊在過去數年,揭發磁性在原子級別下的特殊物理現象,及二維磁性材料與其他二維材料堆疊,所產生的特殊界面耦合效應,而目前研究大都圍繞二維磁性材料的基本物理性質,其應用端仍鮮少被探討。

研究團隊表示,團隊首度將二維鐵磁性材料,應用在能谷電子元件和磁光電元件,不僅說明此材料,在元件應用上的新契機,也為未來量子元件發展奠定基礎,而本研究成果已於今年5月,正式發表於國際知名學術期刊「自然奈米科技」(Nature Nanotechnology) ,並獲選為期刊7月份封面。

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