清大研發半導體新材料 可如樂高堆疊

半導體產業遵循著「摩爾定律」發展半世紀，已逼近矽材料的物理極限，三維材料製成的元件小於5奈米時，就會因漏電、過熱而無法操控；雖然新的二維材料可製成能谷電子元件，但須以光操控相當困難。清大研究團隊發現一項可電控材料，有望讓半導體達到0.6奈米。

清華大學電機系暨光電所副教授劉昌樺表示，半導體工業循著晶片每2年電晶體增加一倍、18個月效能增加一倍的「摩爾定律」發展約半個世紀，但在不斷縮小半導體元件體積的需求下，已逼近矽等三維材料的物理極限，因此二維的過渡金屬「二硫族化合物」被視為發展可提升運算能力、增加儲存空間的「能谷電子元件」的理想材料。

不過，劉昌樺指出，學術界目前只能利用光來操控「能谷元件」，這對半導體產業來說相當困難。但他的研究團隊發現了新的二維磁性材料（Fe3GeTe2），並與二維絕緣體「六方氮化硼」結合，開發出新的半導體元件，可使用電來操控；且Fe3GeTe2與傳統半導體長晶的方式不同，可與不同特性的材料組合，「就像玩樂高一樣可任意堆疊」。

研究團隊中的清大物理系教授鄭弘泰解釋，目前常見的三維材料縮小到5奈米時性質就會改變，會產生漏電、過熱等情形，使半導體變成導體與絕緣體而無法操控；1奈米的厚度大約是10層原子，而新的二維材料本身的厚度就只有3層原子，最小可在0.6奈米的體積下維持物理特性，資料儲存量粗估是1奈米的10倍。

劉昌樺強調，這項研究是學界首次將二維鐵磁性材料應用在能谷電子元件和磁光電元件上，為未來量子元件發展奠定基礎，但若要技轉至業界，仍需克服材料大量生長、訊號傳輸及偵測的問題，預估還需要5至10年才能應用。◇