突破鐵電材料極限 引領(lǐng)半導(dǎo)體技術(shù)新浪潮
在國科會的支持下，臺師大物理系團(tuán)隊發(fā)表超薄鐵電電晶體，合影者左起為國研院臺灣半導(dǎo)體研究中心李愷信研究員（左3）、臺灣大學(xué)重點(diǎn)科技研究學(xué)院李敏鴻教授（左4）、國科會自然處羅夢凡處長（左5）、臺師大學(xué)物理系藍(lán)彥文教授（左6）、陽明交通大學(xué)電子物理系林俊良副教授（左7）、國研院臺灣半導(dǎo)體研究中心梁伯維助理研究員（左8）。照：臺師大提供
國科會預(yù)見二維材料在半導(dǎo)體領(lǐng)域中的巨大潛力，積極推動「Å世代前瞻半導(dǎo)體專案計畫」及「尖端晶體材料開發(fā)及製作計畫」，在這一框架下，由國立臺灣師範(fàn)大學(xué)物理系藍(lán)彥文教授與陸亭樺教授所組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊在鐵電材料領(lǐng)域取得了重大突破，開發(fā)出基於二維材料二硫化鉬的創(chuàng)新鐵電電晶體(ST-3R MoS2 FeS-FET)，創(chuàng)造出僅有1.3奈米厚度，以及低操作電壓的鐵電材料半導(dǎo)體元件，解決了傳統(tǒng)鐵電電晶體縮小尺寸、降低功耗的難題，在未來可以作為非揮發(fā)性記憶體及低功率電子元件應(yīng)用，有望成為先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)的核心，提升我國半導(dǎo)體國際競爭力。本研究成果已於2023年11月底正式發(fā)表於國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然電子》(Nature Electronics)上。
鐵電材料是個新興的技術(shù)選項，它可以透過外加電場控制電偶極方向，進(jìn)而達(dá)到儲存資料的功能。鐵電材料擁有極高的讀寫速度，並能夠在斷電情況下持續(xù)保存資料。然而，在鐵電電晶體的研發(fā)過程中，面臨著眾多挑戰(zhàn)性的障礙與困難，傳統(tǒng)鐵電電晶體隨著元件尺寸的減小，電偶極化出現(xiàn)了不穩(wěn)定的現(xiàn)象，而且元件製程極其複雜等問題待解決。
因此，臺師大藍(lán)教授與陸教授結(jié)合國立陽明交通大學(xué)電子物理系林俊良副教授、國立成功大學(xué)物理學(xué)系陳宜君教授、國立臺灣大學(xué)李敏鴻教授，以及臺灣半導(dǎo)體研究中心李愷信組長等研究能量的聯(lián)合研究團(tuán)隊開始探索被預(yù)測具有鐵電性的二維材料，團(tuán)隊開發(fā)出一種基於剪切轉(zhuǎn)變的菱面堆積二硫化鉬鐵電電晶體 (ST-3R MoS2 FeS-FET)，該材料使用化學(xué)氣相沈積(CVD)成長出擁有介面間鐵電性的雙層二硫化鉬，藉由成長過程中所建造出的可移動晶界產(chǎn)生雙層介面間的滑移現(xiàn)象，表現(xiàn)出可翻轉(zhuǎn)的垂直方向自發(fā)電極化。這種新興的鐵電電晶體元件展現(xiàn)出令人矚目的低讀寫電壓、快速讀寫和高穩(wěn)定性，而且其製程步驟也採用了目前在工業(yè)界廣泛應(yīng)用的技術(shù)，展現(xiàn)出其與工業(yè)製程標(biāo)準(zhǔn)的高度相容性。
這種將鐵電二維材料作為場效電晶體，不僅在鐵電材料領(lǐng)域取得了突破，還成功解決了尺寸縮小與功耗降低的雙重難題，這對於超大型積體電路和數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用非常重要。此超薄鐵電晶體其因厚度僅2層二維材料原子，具低於3奈米(sub-3nm)技術(shù)節(jié)點(diǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)潛力，為先進(jìn)的半導(dǎo)體製程提供了理想的解決方案選項。
這項研究的成果不僅在學(xué)術(shù)上獲得國際認(rèn)可，更顯示著我國在新世代全球半導(dǎo)體領(lǐng)域的優(yōu)秀競爭力。藍(lán)教授聯(lián)合研究團(tuán)隊所開發(fā)的鐵電材料半導(dǎo)體元件突破原有的極限，未來可望能有進(jìn)一步的發(fā)展與應(yīng)用，並在各個領(lǐng)域中發(fā)揮其重要作用。
國科會臺師大陽明交大鐵電材料半導(dǎo)體