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(duì)：?jiǎn)卧訉雍穸鹊?a target="_blank">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(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)，在全球眾多競(jìng)爭(zhēng)團(tuán)隊(duì)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(kāi)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(shí)代電子元件的開(kāi)發(fā)，以追求元件成本/耗能/速度最佳化的產(chǎn)業(yè)價(jià)值外，并可滿足未來(lái)人工智慧芯片與機(jī)器學(xué)習(xí)所需大量計(jì)算效能的需求。

二維材料具有許多獨(dú)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(jì)算機(jī)和通信等多方領(lǐng)域帶來(lái)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(guò)渡金屬二硫族化合物（Transition Metal Dichalcogenides, 簡(jiǎn)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(duì)利用同時(shí)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(wú)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(wú)需金屬電極的加入，就能打開(kāi)和關(guān)閉電流以產(chǎn)生1 和0 的邏輯訊號(hào)，這樣能大幅降低電路制程與設(shè)計(jì)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(guò)堆疊不同類(lèi)型的二維材料展現(xiàn)不同的功能性。

透過(guò)本研究成果，未來(lái)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(yùn)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(yùn)算速度，預(yù)期可超過(guò)現(xiàn)今電腦的千倍、萬(wàn)倍，而且所需的能量極少，大量運(yùn)算時(shí)也不會(huì)耗費(fèi)太多能量達(dá)到節(jié)能的效果，其各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)將對(duì)現(xiàn)今的數(shù)位科技發(fā)展帶來(lái)重大的影響，也許手機(jī)充電一次就能連續(xù)使用一個(gè)月，而以現(xiàn)階段積極發(fā)展的自動(dòng)駕駛汽車(chē)來(lái)說(shuō)，如果所有的感測(cè)、運(yùn)算速度都比現(xiàn)在快上千、萬(wàn)倍，行駛霹靂車(chē)再也不是夢(mèng)想。

澳洲團(tuán)隊(duì)：用空氣間隙傳送電子

據(jù)美媒稱，電子工程師開(kāi)發(fā)出一種能通過(guò)細(xì)微空氣間隙——而不是硅——來(lái)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(guò)熱的可能性。

據(jù)合眾國(guó)際社網(wǎng)站日前報(bào)道，研究人員利用這項(xiàng)突破為一種納米芯片開(kāi)發(fā)出概念驗(yàn)證設(shè)計(jì)，這種芯片的特點(diǎn)是金屬與狹小空氣間隙相結(jié)合，這個(gè)工程師團(tuán)隊(duì)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(tái)計(jì)算機(jī)和手機(jī)都有數(shù)百萬(wàn)至數(shù)十億由硅制成的電子晶體管，但這項(xiàng)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(dòng)，因此不會(huì)發(fā)生碰撞使其減速，材料中也沒(méi)有產(chǎn)生熱量的阻力?！?/p>

報(bào)道稱，在過(guò)去十多年中，隨著工程師們?cè)O(shè)法將越來(lái)越多的晶體管擠進(jìn)硅芯片，計(jì)算機(jī)芯片的功率和效率大約每?jī)赡攴环?。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(shuō)，晶體管能小到什么程度是有限的。換句話說(shuō)，硅基電子產(chǎn)品面臨著一個(gè)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?yàn)檠芯咳藛T提供通往納米電子新范式的途徑。

尼蘭塔說(shuō)：“這項(xiàng)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。”

根據(jù)這項(xiàng)新研究，其概念驗(yàn)證設(shè)計(jì)避免了傳統(tǒng)固體通道晶體管的一個(gè)問(wèn)題：原子太多。研究人員沒(méi)有使用真空包裝來(lái)降低晶體管密度，而是利用一個(gè)狹窄的空氣間隙。

研究人員沙拉特·斯里拉姆說(shuō)：“這個(gè)間隙只有幾十納米，是人類(lèi)毛發(fā)寬度的5萬(wàn)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(jí)空氣間隙內(nèi)的電子重新創(chuàng)造一個(gè)虛擬外部空間?！?/p>

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(shuō)：“這是朝著一項(xiàng)激動(dòng)人心的技術(shù)邁出的一步，這項(xiàng)技術(shù)旨在‘無(wú)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?！?/p>

量子運(yùn)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(guó)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(guò)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(duì)這樣的困境，***工研院表示2019年跨入「后摩爾定律時(shí)代」（beyond Moore's law），技術(shù)上的解方有二：量子運(yùn)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(shí)出現(xiàn)0與1，所以能夠同時(shí)處理大量資訊，特別是多變量的數(shù)據(jù)，這也符合未來(lái)AI的發(fā)展趨勢(shì)。

日本豐田通商（Toyota Tsusho）與電綜（DENSO）便運(yùn)用量子運(yùn)算，在泰國(guó)建立大規(guī)模交通資訊平臺(tái)「TSQUAREアプリ」，利用13萬(wàn)車(chē)輛回報(bào)的資訊，進(jìn)行即時(shí)交通分析，并回饋給用戶最適合的行車(chē)建議。利用量子運(yùn)算，36萬(wàn)筆資訊在20微秒（百萬(wàn)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(hào)」改為「光訊號(hào)」來(lái)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(wú)法發(fā)光，所以光源發(fā)展來(lái)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(lái)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(kāi)發(fā)的思維與制程。