新世代發光記憶體 實現高速運算需求

曾博群 |2021.09.22
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台灣師範大學與日本九州大學合作,研發出一種新型高效能「發光記憶體」,使數據可同時以電子和光學方式傳輸,有望在未來半導體產業中實現更多工的數據存取模式。圖/台師大提供

【記者曾博群台北報導】科技部的基礎科學研究計畫支持下,國立台灣師範大學光電工程研究所李亞儒與張俊傑教授,與日本九州大學材料化學與工程研究所玉田薫(Kaoru Tamada)特聘教授組成研究團隊,於今年7月在知名國際期刊《自然通訊》發表一種新型高效能「發光記憶體」,有望在未來半導體產業中實現更多工的數據存取模式,並為鈣鈦礦的光電子學開闢一條新應用途徑。

電腦記憶體是系統的短期資料儲存區,系統執行的程式越多,需要的記憶體就越多。市場上存在多種不同形態、不同材質的記憶體,到目前為止,任何一種儲存裝置都有其缺點。目前較為普遍的數據儲存與讀取的元件就是快閃記憶體,主要用於一般性資料儲存,以及在電腦與其他數位產品間交換傳輸資料,如記憶卡與隨身碟。但為找到更有效率的儲存和讀取方法,研究人員仍積極開發次世代記憶體元件。

目前市場預期可成為現行記憶體元件的替代品之一,為非揮發性的可變電阻式記憶體(RRAM),電阻式記憶體並不是像快閃記憶體,將電荷存儲在電晶體中,而是使用可在高電阻和低電阻狀態之間切換的材料來表示1和0的位元數據。

不過RRAM透過檢查電阻,讀取0和1所需的電子檢測方式會限制整體速度。雖然近來已有研究將RRAM與LED結合,成為發光記憶體,可讓數據額外進行光學讀寫,然而這樣的發光記憶體需要結合兩個具不同材料系統的獨立元件,使製程整合變得複雜。

為克服問題,李教授團隊轉向鈣鈦礦,其使用由溴化銫鉛 (CsPbBr3) 組成的鈣鈦礦量子點,證明可在其中一個充當鈣鈦礦 RRAM元件中,以電子方式進行數據寫入、刪除和讀取。

同時,第二個作為鈣鈦礦LEC的元件具高速光學傳輸特性,同步傳遞存取的記憶資訊。此外,在發光記憶體元件中使用兩種不同尺寸的鈣鈦礦量子點,藉由量子侷限效應改變發光波長,來即時判讀發光記憶體是處於1或0的記憶狀態。

團隊透過控制外加電場下離子在鈣鈦礦晶體結構中遷移的特性,成為具有獨特物理、光學與電學性能的新材料,因此只需使用單一種鈣鈦礦半導體作為兩個獨立元件的基礎材料,大幅簡化製程。

本次發表的科學研發成果能夠拓展鈣鈦礦材料的應用範疇,可作為電子學和光子學兩者高同調整合的新範例。這項發現具有高度潛力,期待再不久的將來就能應用在像是群播網狀網路或者是高階數據加密系統的高科技中,進一步實現高速運算的需求。

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