半導體技術蓬勃發(fā)展，即將面臨積體電路微縮化的三奈米制程極限，因此科學家除改善積體電路中電晶體的基本架構外，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。

臺灣團隊：單原子層厚度的二極管

臺灣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內研究團隊，在全球眾多競爭團隊中脫穎而出，成功地研發(fā)出僅有單原子層厚度(0.7奈米)且具優(yōu)異的邏輯開關特性的二硒化鎢（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』進行后硅時代電子元件的開發(fā)，以追求元件成本/耗能/速度最佳化的產業(yè)價值外，并可滿足未來人工智慧芯片與機器學習所需大量計算效能的需求。

二維材料具有許多獨特的物理與化學性質，科學家相信這些性質能為計算機和通信等多方領域帶來革命性沖擊。其中與石墨烯（Graphene）同屬二維材料的二硒化鎢（WSe2），是一種過渡金屬二硫族化合物（Transition Metal Dichalcogenides, 簡稱TMDs），能夠在單化合原子層的厚度（約0.7 奈米）內展現絕佳的半導體傳輸特性，相比以往的傳統(tǒng)硅半導體材料，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。

研究團隊利用同時兼具高亮度/高能量解析/高顯微力的臺灣『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體與鐵酸鉍氧化物所組成的二維復合材料，展示了調控二維材料電性無需金屬電極的加入，就能打開和關閉電流以產生1 和0 的邏輯訊號，這樣能大幅降低電路制程與設計的復雜度，以避免短路、漏電、或互相干擾的情況產生。此外，由于二維材料的厚度極薄，能如同現今先進的晶圓3D 堆疊技術一樣，透過堆疊不同類型的二維材料展現不同的功能性。

透過本研究成果，未來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，由于負責運算的傳輸電子被限定在單原子層內，因此能大幅地降低干擾并能增加運算速度，預期可超過現今電腦的千倍、萬倍，而且所需的能量極少，大量運算時也不會耗費太多能量達到節(jié)能的效果，其各項優(yōu)點將對現今的數位科技發(fā)展帶來重大的影響，也許手機充電一次就能連續(xù)使用一個月，而以現階段積極發(fā)展的自動駕駛汽車來說，如果所有的感測、運算速度都比現在快上千、萬倍，行駛霹靂車再也不是夢想。

澳洲團隊：用空氣間隙傳送電子

據美媒稱，電子工程師開發(fā)出一種能通過細微空氣間隙——而不是硅——來傳送電子的新型晶體管。這一發(fā)展否定了半導體的必要性，提高了該裝置的速度，且降低了過熱的可能性。

據合眾國際社網站日前報道，研究人員利用這項突破為一種納米芯片開發(fā)出概念驗證設計，這種芯片的特點是金屬與狹小空氣間隙相結合，這個工程師團隊在《納米通訊》月刊上詳細介紹了他們的發(fā)明。

皇家墨爾本理工大學的研究人員什魯蒂·尼蘭塔在一份新聞稿中稱：“每臺計算機和手機都有數百萬至數十億由硅制成的電子晶體管，但這項技術正在達到其物理極限，導致硅原子阻礙電流、限制速度并產生熱量。我們的空氣通道晶體管技術讓電流在空氣中流動，因此不會發(fā)生碰撞使其減速，材料中也沒有產生熱量的阻力。”

報道稱，在過去十多年中，隨著工程師們設法將越來越多的晶體管擠進硅芯片，計算機芯片的功率和效率大約每兩年翻一番。但現在的晶體管比最微小的病毒都小，而且技術專家說，晶體管能小到什么程度是有限的。換句話說，硅基電子產品面臨著一個天花板，而工程師們已經在接近這一極限。但基于空氣的納米芯片能夠為研究人員提供通往納米電子新范式的途徑。

尼蘭塔說：“這項技術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。”

根據這項新研究，其概念驗證設計避免了傳統(tǒng)固體通道晶體管的一個問題：原子太多。研究人員沒有使用真空包裝來降低晶體管密度，而是利用一個狹窄的空氣間隙。

研究人員沙拉特·斯里拉姆說：“這個間隙只有幾十納米，是人類毛發(fā)寬度的5萬分之一，但它足以讓電子誤以為自己是在真空中行進，為在納米級空氣間隙內的電子重新創(chuàng)造一個虛擬外部空間?！?/p>

研究人員認為，他們的裝置將很容易與現有電子技術兼容。

斯里拉姆說：“這是朝著一項激動人心的技術邁出的一步，這項技術旨在‘無中生有’、大幅提高電子產品的速度并保持快速技術進步的節(jié)奏?！?/p>

量子運算和硅光子是救星？

根據「摩爾定律」（Moore's law），電晶體將隨著技術的改良而不斷縮小，目前臺灣與韓國的制程領先全球，已經推進到7奈米。但一般認為當演進至1奈米，已經超過硅材料的物理極限，摩爾定律將碰到天花板，再也走不下去。

針對這樣的困境，臺灣工研院表示2019年跨入「后摩爾定律時代」（beyond Moore's law），技術上的解方有二：量子運算與硅光子。這兩大技術也將是2020～2030年半導體技術演進的重要推手。

有別于一般電腦采用0與1的二進位制，量子電腦則采用「量子位元（qubit）」，其「疊加（superposition）」的特性，可以同時出現0與1，所以能夠同時處理大量資訊，特別是多變量的數據，這也符合未來AI的發(fā)展趨勢。

日本豐田通商（Toyota Tsusho）與電綜（DENSO）便運用量子運算，在泰國建立大規(guī)模交通資訊平臺「TSQUAREアプリ」，利用13萬車輛回報的資訊，進行即時交通分析，并回饋給用戶最適合的行車建議。利用量子運算，36萬筆資訊在20微秒（百萬分之一秒）內完成，相較現行設備足足快了1億倍。

現在的資訊傳輸主要是靠電，而硅光子( Silicon Photonics )的技術，是將「電訊號」改為「光訊號」來傳遞數據，以提高傳輸距離、增加資料頻寬與降低單位耗能。

然而硅本身無法發(fā)光，所以光源發(fā)展來自于外界，雷射光則是主要光源。需藉由封裝方式將光源與芯片進行組裝，而將雷射直接整合到芯片上，則是未來的目標。

另外，硅光子技術可整合現有半導體CMOS制程，成為業(yè)界頗受矚目的研究方向，但硅光子技術的難度在于，整合半導體技術和光學技術，仍需要扭轉部分技術開發(fā)的思維與制程。