台師大物理系開發創新鐵電電晶體 引領半導體技術新浪潮

瞄準二維材料在半導體領域的巨大潛力，台灣師範大學物理系教授藍彥文與陸亭樺兩人組成聯合研究團隊，開發出基於二維材料二硫化鉬的創新鐵電電晶體(ST-3R MoS2 FeS-FET)，創造出僅有1.3奈米厚度及低操作電壓的鐵電材料半導體元件，解決傳統鐵電電晶體縮小尺寸、降低功耗的難題，未來可作為非揮發性記憶體及低功率電子元件應用，有望成為先進半導體技術核心。研究成果已於2023年11月底正式發表於國際知名學術期刊《自然電子》(Nature Electronics)。

鐵電材料是個新興的技術選項，它可以透過外加電場控制電偶極方向，進而達到儲存資料的功能。鐵電材料擁有極高的讀寫速度，並能夠在斷電情況下持續保存資料。

然而，在鐵電電晶體的研發過程中，面臨著眾多挑戰性的障礙與困難，傳統鐵電電晶體隨著元件尺寸的減小，電偶極化出現了不穩定的現象，而且元件製程極其複雜等問題待解決。

因此，藍彥文與陸亭樺攜手陽明交通大學電子物理系副教授林俊良、成功大學物理學系教授陳宜君、台灣大學教授李敏鴻，以及台灣半導體研究中心組長李愷信等人組成聯合研究團隊，探索被預測具有鐵電性的二維材料，開發出一種基於剪切轉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生雙層介面間的滑移現象，表現出可翻轉的垂直方向自發電極化。

研究團隊發現，這種新興的鐵電電晶體元件展現出令人矚目的低讀寫電壓、快速讀寫和高穩定性，而且其製程步驟也採用了目前在工業界廣泛應用的技術，展現出其與工業製程標準的高度相容性。

研究團隊將這種將鐵電二維材料作為場效電晶體，不僅在鐵電材料領域取得了突破，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據存儲應用非常重要。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)技術節點中的關鍵技術潛力，為先進的半導體製程提供了理想的解決方案選項。