新世代發光記憶體 實現高速運算需求

新網記者歸鴻亭台北特稿
2021/9/22 下午 06:11:15 / 科技新知

　在科技部的基礎科學研究計畫支持下，國立臺灣師範大學光電工程研究所教授李亞儒與張俊傑，與日本九州大學材料化學與工程研究所特聘教授玉田薫(Kaoru Tamada)組成研究團隊，今(110)年7月在知名國際期刊《自然通訊》(Nature Communications)發表一種新型高效能「發光記憶體」，整合兩個同樣以鈣鈦礦為基礎的獨立元件—發光電化電池(light-emitting electrochemical cell, LEC)與可變電阻式記憶體(RRAM)—使數據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，並為鈣鈦礦的光電子學開闢一條新應用途徑。

國立臺灣師範大學光電工程研究所教授李亞儒說明新世代發光記憶體技術。(歸鴻亭攝影)

　李亞儒表示，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。

新型高效能「發光記憶體」為鈣鈦礦的光電子學開闢一條新應用途徑。(歸鴻亭攝影)

　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。

科技部說明新世代發光記憶體可疫實現高速運算需求。(歸鴻亭攝影)

　為克服問題，李亞儒團隊轉向鈣鈦礦，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2個作為鈣鈦礦LEC的元件具高速光學傳輸特性，可透過發光方式寫入或是刪除數據。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。

新世代發光記憶體將繪實現高速運算的需求。(歸鴻亭攝影)

　科技部長期深耕基礎研究，系統性的支持臺灣研究人員進行科學研究，全方位的補助優質學術團隊進行科學突破，追求學術卓越並加強與國際的合作鏈結，發展關鍵技術進而推動產業發展及創造科研價值，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。