交大找到低功耗节能电子元件 让我们跟行动电源说掰掰～
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电子元件尺寸将在六年内微缩至量子力学的极限，改善元件功率消耗达到节能效果成为未
来发展趋势。交通大学电子工程系荆凤德教授团队找出超低功耗快速上升电晶体及单电晶
体动态随机存取内存，将减低未来的积体电路功率达10倍之多，实现行动装置10天充一
次电的期望。
研究成果刊登为IEEE Newsletter通讯封面故事，更受邀发表技术简介“节能电子元件的
趋势”于2014年的IEEE通讯。依国际技术蓝图所示，新型｢鳍状电晶体｣的微缩在2016年
7奈米时即遇到技术瓶颈，因电晶体的电性通道长度只有3~4 奈米，造成电子的直接量子
穿隧以及无法容忍的漏电流，因此必须发明出超越鳍状电晶体的电晶体。然电晶体从
Bardeen, Shockley & Brattain于1948年发明以来，任何大幅的改良如高介电系数电晶体
及鳍式电晶体，均十分困难且重要，这也是IBM近日宣布投入30亿美元于7奈米技术的原因
。
动态随机存取内存（DRAM）于2015年也会遇到技术瓶颈。DRAM是由一电晶体与一电容组
合而成，相较电晶体，电容的漏电流导致额外的功率消耗，因而消耗了系统芯片大量的功
率。虽然有介电值高达100以上的钛酸锶等材料，然其需使用较厚的介电层减低漏电流，
无法填入愈来愈小的DRAM中，只好转为增加电容的高度方式来制作DRAM。
目前DRAM电容的高/宽比已接近制程极限，须研发出新的结构设计。目前减低电晶体漏
电流的方法是降低电压，然而低电压电流输出亦随之减少，造成积体电路的速度减慢。
荆凤德教授的研究团队利用锗电晶体，以锗取代传统硅作为传导材料，拥有较硅电晶体迁
移率高2.6倍之重大优势。锗电晶体可使未来的电晶体工作电压从目前的0.7伏降低至0.35
伏，功率改善及节能减碳达4倍之多；较Intel的砷化铟镓电晶体更低漏电流、较少光罩数
，但获得更简化的制程以及低成本、高良率。虽然使用高速材料的锗电晶体可降低驱动电
压、功率及漏电流，仍无法达到张忠谋董事长于2014年台湾半导体协会喊出的“10倍功率
降低”目标，因电压降低的极限为电晶体开启时的电流/电压上升速率。
为了解决此问题，普渡大学博士生Salahuddin（现加入UC Berkeley胡正明院士团队）及
Datta教授提出新物理机制“负电容电晶体”；此系列理论与模拟论文已发表，却由荆凤
德教授研究团队完成第一个成功的电晶体，使用高介电系数氧化铪锆的“铁电效应”，形
成等效负电容，达到电晶体开启时电流与电压皆快速上升，速率远快于目前的电晶体。
此突破将减低未来的积体电路功率达10倍之多，达到节能行动装置可10天充一次电的目标
，进而改善人类的生活方式。此铁电效应亦可形成记忆功能。研究团队发表的氧化铪锆电
晶体DRAM为单一电晶体结构，与目前电晶体完全相容，可与电晶体微缩至7奈米，而速度
快上目前DRAM千倍，相较IBM2014发表结合运算记忆功能的内存处理器─神经元类人脑
，更简单且更先进。
这项重大突破未来将对超低功耗的积体电路技术及节能减碳带来革命性的影响，荆凤德教
授也邀请IBM资深经理、东芝首席研究员、UCLA、UC Berkeley教授组成IEEE电子材料技术
委员会，共同推动此创新超低耗能电子元件。
文章来源：交通大学新闻稿