SDG9
突破材料瓶頸 成功大學攜手中興大學與國際頂尖研究團隊 全球首創「懸浮式鐵電二維電晶體」研究登《Nature Electronics》
文／楊展其教授團隊、圖／楊展其教授團隊、論文網站
國立成功大學前沿量子科技研究中心暨物理系楊展其教授與所帶領的成大研究團隊，攜手中興大學林彥甫教授，清華大學，交通大學，台灣半導體研究中心，國家同步輻射中心與德國馬克斯普朗克等數個國內外頂尖研究團隊，開發出全球首見的「懸浮式鐵電二維電晶體」技術，成功解決了長期困擾高介電鐵電材料與二維材料元件整合的瓶頸，為新世代電晶體、AI 晶片、記憶體與 3D 封裝設計開啟嶄新可能。
此突破性研究成果Integration of freestanding hafnium zirconium oxide membranes into two-dimensional transistors as a high-κ ferroelectric dielectric於 2025 年 6 月底發表於國際頂尖期刊《Nature Electronics》，相關研究的技術核心在於製成厚度低於 20 奈米、可轉印的懸浮式鐵電 Hf0.5Zr0.5O2（HZO）薄膜，並成功大面積整合至二維半導體 MoS₂ 上。以懸浮式鐵電 HZO 薄膜作為二維場效電晶體之高介電閘極材料，其呈現超過 10⁹ 的開關比與 53 mV/dec 的超低次臨界擺幅，使用相關架構之元件可同時兼具高效能與低功耗。
二維材料被廣泛認為是最具潛力的新世代半導體材料之一，近年來已有多項成功展示其在記憶體與電晶體等元件中的整合與應用。然而，傳統半導體常用的原子層沉積（ALD）或化學氣相沉積（CVD）技術所製備的介電層，普遍無法在成長於二維材料之上後，同時具備高介電常數與鐵電特性，且往往需倚賴繁瑣的後處理才能實現特性優化。更重要的是，這些製程在沉積介電層的同時，常導致其下方二維材料的電子特性劣化，難以實現理想的高開關比與低功耗操作。
成功大學楊展其教授團隊，協同劉祐承博士與陳柏材博士生，長期致力於量子材料的成長開發與物性探索，率領成功大學物理系雷射分子束磊晶實驗室，成功完成高品質懸浮式 HZO 薄膜的成長與轉印，掌握新穎材料的突破關鍵。
楊展其教授指出，「我們讓超薄且具有高介電特性的鐵電材料成為可主動整合、自由轉移的媒介。無論在初始的單晶基板或已完成無數道複雜製程的晶片上，皆可以有效轉印超高品質的 HZO 鐵電高介電薄膜。相關技術也提供了未來基於二維材料之半導體晶片架構極大的彈性。」
研究中另外一位重要通訊作者，中興大學林彥甫教授，則帶領團隊從材料到元件完成一系列實作驗證，為成功將該技術轉化為應用平台的關鍵推手。林教授指出：「我們把這片懸浮膜與二維材料搭配，變成一顆真正能工作的電晶體，甚至縮小到只有 13 奈米的通道長度，仍能維持高效運作。」他指出，「從反相器、邏輯閘到 1-bit 加法器，我們一個個做出來，證明這不只是新材料，而是一套可模組化、可實用化的完整解決方案。」
相關的懸浮式薄膜成長與轉印技術屬於成大前沿量子科技研究中心開發新穎量子材料的核心製程與技術之一，也已完成初步大面積化測試，並申請多國專利中。此技術未來可望放大至 8 吋與 12 吋晶圓製程，對AI手機、智慧醫療、車用晶片等應用具有高度潛力，可望為台灣在新穎半導體製程材料領域建立關鍵競爭優勢。
維護單位: 新聞中心
更新日期: 2025-07-04
國立成功大學前沿量子科技研究中心暨物理系楊展其教授與所帶領的成大研究團隊，攜手中興大學林彥甫教授，清華大學，交通大學，台灣半導體研究中心，國家同步輻射中心與德國馬克斯普朗克等數個國內外頂尖研究團隊，開發出全球首見的「懸浮式鐵電二維電晶體」技術，成功解決了長期困擾高介電鐵電材料與二維材料元件整合的瓶頸，為新世代電晶體、AI 晶片、記憶體與 3D 封裝設計開啟嶄新可能。
此突破性研究成果Integration of freestanding hafnium zirconium oxide membranes into two-dimensional transistors as a high-κ ferroelectric dielectric於 2025 年 6 月底發表於國際頂尖期刊《Nature Electronics》，相關研究的技術核心在於製成厚度低於 20 奈米、可轉印的懸浮式鐵電 Hf0.5Zr0.5O2（HZO）薄膜，並成功大面積整合至二維半導體 MoS₂ 上。以懸浮式鐵電 HZO 薄膜作為二維場效電晶體之高介電閘極材料，其呈現超過 10⁹ 的開關比與 53 mV/dec 的超低次臨界擺幅，使用相關架構之元件可同時兼具高效能與低功耗。
二維材料被廣泛認為是最具潛力的新世代半導體材料之一，近年來已有多項成功展示其在記憶體與電晶體等元件中的整合與應用。然而，傳統半導體常用的原子層沉積（ALD）或化學氣相沉積（CVD）技術所製備的介電層，普遍無法在成長於二維材料之上後，同時具備高介電常數與鐵電特性，且往往需倚賴繁瑣的後處理才能實現特性優化。更重要的是，這些製程在沉積介電層的同時，常導致其下方二維材料的電子特性劣化，難以實現理想的高開關比與低功耗操作。
成功大學楊展其教授團隊，協同劉祐承博士與陳柏材博士生，長期致力於量子材料的成長開發與物性探索，率領成功大學物理系雷射分子束磊晶實驗室，成功完成高品質懸浮式 HZO 薄膜的成長與轉印，掌握新穎材料的突破關鍵。
楊展其教授指出，「我們讓超薄且具有高介電特性的鐵電材料成為可主動整合、自由轉移的媒介。無論在初始的單晶基板或已完成無數道複雜製程的晶片上，皆可以有效轉印超高品質的 HZO 鐵電高介電薄膜。相關技術也提供了未來基於二維材料之半導體晶片架構極大的彈性。」
研究中另外一位重要通訊作者，中興大學林彥甫教授，則帶領團隊從材料到元件完成一系列實作驗證，為成功將該技術轉化為應用平台的關鍵推手。林教授指出：「我們把這片懸浮膜與二維材料搭配，變成一顆真正能工作的電晶體，甚至縮小到只有 13 奈米的通道長度，仍能維持高效運作。」他指出，「從反相器、邏輯閘到 1-bit 加法器，我們一個個做出來，證明這不只是新材料，而是一套可模組化、可實用化的完整解決方案。」
相關的懸浮式薄膜成長與轉印技術屬於成大前沿量子科技研究中心開發新穎量子材料的核心製程與技術之一，也已完成初步大面積化測試，並申請多國專利中。此技術未來可望放大至 8 吋與 12 吋晶圓製程，對AI手機、智慧醫療、車用晶片等應用具有高度潛力，可望為台灣在新穎半導體製程材料領域建立關鍵競爭優勢。
維護單位: 新聞中心
更新日期: 2025-07-04
研究論文刊登於 Nature Electronics
成大團隊主要研究作者，陳柏材同學（左）與劉祐承博士（右）
成功大學與中興大學研究團隊合影。左到右：陳柏材同學，楊展其教授，林彥甫教授，林哲儀博士與張原銘博士
