無需矽元件，美國科學家打造全球首台二維材料電腦

矽長期以來是半導體技術的基石，但矽時代的終點可能已開始浮現。賓州州立大學（Penn State University）研究團隊最近有一項劃時代的技術突破──全球首台完全由二維材料製成的 CMOS 電腦，為後矽時代開啟新篇章。

該研究團隊由工程科學教授薩普塔斯·達斯（Saptarshi Das）帶領，成功設計並建造了一台單指令集電腦（OISC），使用的是比矽更薄、且能在擴大規模時保持特性的二維材料。這台電腦採用互補式金屬氧化物半導體（CMOS）架構，但完全不含矽，改用二硫化鉬（MoS₂）做為n型電晶體、二硒化鎢（WSe₂）做為p型電晶體。

▲ 電子顯微鏡影像中分別以橘色和藍色標示出p型與n型電晶體。（Source：論文）

「數十年來，矽推動了電子領域的飛速發展，讓場效電晶體（FET）不斷微縮，」Das解釋道，「然而，隨著矽元件持續縮小，效能開始下滑。相比之下，二維材料即使只有原子級厚度，仍能保持優異的電子特性。」

研究團隊採用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術，在藍寶石晶圓上生長出只有一原子厚的電晶體通道。他們透過精確調整製程，成功製造了超過1,000個每種型態的電晶體，並有效控制閾值電壓，實現了功能完整的CMOS邏輯電路。

目前，這台二維電腦運行速度較慢，在低供電電壓下僅能達到25千赫茲的頻率。研究第一作者Subir Ghosh表示：「雖然速度比一般矽電路慢，但它能夠執行基本邏輯運算，並且極度省電。」主要瓶頸是寄生電容問題，團隊正積極尋找解決方案，理論上若能克服此問題，運作頻率可提升至約5GHz。

這項創新並非立即取代矽技術。Das認為二維CMOS電腦將在特定領域脫穎而出：「它們可能在邊緣AI、神經形態系統或柔性電子等專業領域具有競爭力。」

在可擴展性方面，團隊已在2英吋晶圓上製作了超過2,000個電晶體，良率高達95%。雖然部分製程仍需手動操作，但大多數步驟已與業界標準兼容，未來有望實現自動化。

「矽技術已發展近80年，二維材料研究卻是2010年左右才開始，」Das說。「雖然二維材料電腦的發展也將是漸進過程，但相比矽的發展歷程，這已是巨大的飛躍。」

這項研究成果已發表於《Nature》期刊。

• Penn State boffins create silicon-free two-dimensional computer
• World’s first 2D material computer built without silicon by US scientists

（首圖為二維材料電腦概念圖，其中包含由研究團隊實際製作電腦的掃描式電子顯微鏡影像，來源：賓州州立大學）