透明彈性 3D 記憶晶片

本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

• 採訪撰文｜張琬婷
• 責任編輯｜簡克志
• 美術編輯｜蔡宛潔

水能被擠壓成冰？

水在攝氏零度以下會結冰。然而，當水被擠壓到極限時，會形成二維的奈米薄冰，不僅室溫下穩定存在，還有從未見過的鐵電特性（Ferroelectricity），而石墨烯則是實現這種擠壓條件的關鍵。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所的謝雅萍副研究員，她與我們分享了實驗室如何意外發現這層特殊的二維薄冰，以及團隊如何利用二維薄冰的鐵電特性製作有記憶電阻功能的奈米元件，研究成果發表在科學期刊《自然通訊》（Nature Communications）。

奈米尺度下，物質特性會跟著改變？

謝雅萍的主要研究題目之一就是合成新穎的二維材料，這是奈米科技的領域。奈米是什麼？奈米（nanometer）是長度單位，即 10^-9 公尺，一根頭髮的直徑長度約為 1 奈米的十萬倍。奈米尺度之下，很多物質的特性會隨之改變，最常見的例子是「蓮花效應」，因為蓮花葉上具有奈米等級的表面結構，為蓮葉賦予了疏水與自我清潔的特性，髒污與水珠都不易附著在蓮葉上。

奈米材料（nanomaterial）是指三維尺寸的材料，至少有一個維度的尺寸小於 100 奈米。只縮小一維，就是平面的二維材料（2D），例如石墨烯；縮小兩個維度，就是奈米線（1D）；三維都縮小，就是零維的奈米顆粒（0D）。

奈米科技（nanotechnology）的概念最早可追溯到 1959 年美國物理學家理查費曼（Richard Feynman）在演講中提出的願景「為什麼我們不能把大英百科全書全部寫在一根針頭上呢？」。1974 年日本科學家谷口紀男則是首度創造「奈米科技」這個詞的人，他認為奈米科技包括原子與分子層次的分離、固定與變形。

過去有不少科學家嘗試奈米材料的研發，但受限於製造技術不成熟，而無法順利製作出精細製程的奈米材料。1981 年，在掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope, STM）發明之後，不僅有助於材料的微觀分析，操縱單個原子和分子也成為可能，奈米科技也逐漸實現。

無處不在的奈米科技？

我們生活周遭的奈米科技俯拾即是，從大賣場商品到半導體產業的電子元件都有。謝雅萍舉例：防曬霜之所以是白色，是因為裡面有二氧化鈦的奈米顆粒；許多塗料與噴漆亦會以奈米添加物，來增進耐蝕、耐磨、抗菌與除汙的特性，例如汽車鍍膜或奈米光觸媒；羽球拍或牙醫補牙會使用奈米樹脂，讓球拍和補牙結構更堅固。

至於半導體產業，奈米科技更是關鍵。透過縮小元件尺寸以及調整奈米元件的幾何形狀，以便於在單一晶片上乘載更多電晶體。「當今的電晶體大小皆是奈米等級，製作電子元件就等同在處理奈米科技的問題」，謝雅萍說道。

實驗中的難題，反而促成驚奇發現？

鐵電性是什麼？二維奈米薄冰有哪些可能的應用方式？

對謝雅萍來說，發現二維的奈米薄冰是個意外的驚喜。最初謝雅萍團隊其實是要製作以石墨烯為電極的開關，畢竟石墨烯是實驗室的主要研究項目，理論上當兩層石墨烯很靠近時，分別給予兩端電壓會是導通的「ON」狀態，沒電時就是斷開的「OFF」狀態。

然而，實驗過程中團隊卻發現當電壓為零時，石墨烯開關仍會導通，甚至要給予負電壓時才會成為 OFF 狀態。這個奇特的現象讓研究團隊苦惱許久，嘗試思考了各種可能性，但都無法完善的說明此現象。

「原本以為實現石墨烯開關應該是一件能夠很快完成的題目，沒想到過程中卻出現了這個意料之外的難題，因此這個研究比預期多花了一兩年」，謝雅萍無奈地笑道。

靈感總是突如其來，某次謝雅萍在與朋友討論研究時，突然想到一個可能的方向：「一直以來都有人猜測水是否為鐵電材料，但都沒有真正證實。臺灣氣候潮濕，開關關不緊會不會就是水的影響？」

設計實驗跑下去之後，謝雅萍團隊終於擺脫了一直以來的疑雲。原來，兩層石墨烯結構中，真的有水分子的存在！「一般水分子用手去捏，還是會維持液體的狀態。但是我們發現，當水被兩層石墨烯擠壓到剩下原子厚度時，水分子就會變成具有鐵電特性的二維薄冰！」，謝雅萍開心地說道。

換句話說，當極限擠壓之下，水會結成冰，而這層超薄的平面奈米薄冰會轉變成鐵電材料，而且可以在室溫下穩定存在！

鐵電材料乍聽之下很抽象，謝雅萍表示：「相較於會吸磁鐵的鐵磁材料，大多數人對鐵電材料比較不熟悉，其實概念十分相似」。她說，鐵磁材料經過外加磁場的「磁化」之後，即使不加磁場仍可維持原本的磁性。相對地，鐵電材料經過外加電場的「極化」之後，即使不加電場仍可維持原本的電荷極化方向。

謝雅萍團隊發現的二維冰具有鐵電性，這意味著水分子的正負極在外加電場之下會整齊排列，形成一個永久的電偶極，並且在電場消失後保持不變。

接著，謝雅萍發現，二維冰的鐵電性只存在於單層原子，增加多層原子之後，鐵電性會消失，變成普通的冰，這是因為多層原子的交互作用會打亂原本的極化排列。因此研究團隊發現的二維冰，是非常特殊的固態水，不是手搖飲加的冰塊那麼簡單。

因為石墨烯的擠壓和固定，二維冰可以在室溫下穩定存在，不會蒸發。謝雅萍團隊實驗發現，要升溫到攝氏 80 度，被夾住的二維冰才會變成水。如此大範圍的操作溫度，這讓謝雅萍開始思考將二維冰作為鐵電材料使用的可能性。

於是，謝雅萍團隊嘗試開發新型的電子元件，他們將二維冰與石墨烯整合成機械式的奈米開關。由於二維冰具有鐵電特性，在施加不同外加電壓之後，元件可以維持上次操作的電阻值，並保留至下次操作，有這種特性的元件稱為「憶阻器」（memristor）。

憶阻器這個詞是由記憶體（memory）與電阻（resistor）組合而成，字面上的解釋便是：具備記憶先前電阻值的能力。

謝雅萍表示：「我們可以藉由不同的外加大電壓寫入電阻值，再以微小電壓讀取之前的電阻值，允許快速存取」。而單獨一個二維冰奈米開關可以記住 4 個位元的資料，具備未來記憶體的發展潛能。

此外，二維冰奈米開關也是很好的開關裝置，團隊驗證導通電流和截止電流的比值可以達到 100 萬，開路和斷路的功能極佳，並且允許雙向操作。而開關的功能經過 1 萬次循環還不會衰減，相當穩定。

謝雅萍團隊是全世界第一個證實二維薄冰鐵電性的團隊，並實現第一個以石墨烯為架構的二維冰機械式憶阻器。她的團隊將往新穎二維材料的方向繼續邁進，目前實驗室有和台積電（TSMC）合作，希望透過產學合作，將更多奈米技術的應用落地實現。

與二維材料實驗的相遇？

謝雅萍目前除了是中研院原分所的副研究員，同時也是國立臺灣大學 MY Lab 實驗室的共同主持人，她和人生伴侶 Mario Hofmann 教授共同指導的 MY Lab 發揮了 1+1>2 的效果，創意與想法的激盪和交流，是產生傑出研究的關鍵。

回到碩博士時期，謝雅萍都在臺大物理所，鑽研材料的光電性質與新穎光電元件的機制。她回憶：「當時我們都要向化學系要材料，他們給什麼我們就得用什麼，但難以了解整個材料製造的細節。」後來她體認到，擁有製造材料的調控能力才能真正突破元件設計上的侷限。

謝雅萍在博士班時申請到了千里馬計畫，讓臺灣博士生獲得國科會補助前往國外頂尖研究機構，進行為期約半年至一年的研究。「我認為這個計畫非常好，也可以幫助學生建立重要人脈！」在指導教授引薦下，謝雅萍因緣際會進入美國麻省理工學院（MIT）的二維材料實驗室，自此與二維材料結下不解之緣，她認為：「好材料與好元件是相輔相成的，前瞻材料更是如此。」

「我到了 MIT 之後，深刻體悟到他們做研究的態度與臺灣學生的不同。臺灣學生像是把研究當作一份工作，然而我在 MIT 時就感受到他們學生對於自身研究的熱忱。討論風氣也非常盛行，學生之間會互相分享自己的研究內容，互相幫忙思考、激盪出新想法」，謝雅萍分享自己在 MIT 時期的觀察。

當年二維材料還在萌芽階段，她所在的 MIT 實驗室已是此領域的佼佼者，她也因此立下了目標：「希望未來我有能力時，能夠自己掌控自己的材料做出好元件！」如今，謝雅萍正走在自己目標的道路上，過去認識的朋友也都是各頂尖大學的二維材料實驗室主持人，直到現在都還會互相幫忙。

從物理到二維材料，身處這些男性為主的學術環境，謝雅萍顯得自在，而且積極參與討論和交流。「我發現女科學人會把自己變得較中性，讓自己融入整個以男性居多的環境中，才不會在團體中有突兀的感覺」，她分享道。

謝雅萍的實驗室 MY Lab，是與臺大物理系 Mario Hofmann 教授共同主持的奈米科技實驗室，他們除了是工作上的夥伴，更是人生中的最佳拍檔！當初兩人就是在美國麻省理工大學 MIT 相識，再一起回到臺灣。

讓「研之有物」團隊好奇的是：這種共同主持的模式與一般實驗室相比，是否有特別之處？

「從多個面向而論，我認為都是 1+1>2 的」，謝雅萍說道，「實驗室會有兩倍的資源、儀器、計畫與兩倍的人脈。遇到一個題目，兩個人思考時會從不同的觀點切入。即便是夫妻，我們在研究上看的面向也都不一樣，因此可以激盪出許多有趣的想法」。

她補充，不僅對實驗室本身而言，對學生也有很大的好處，「因為學生的研究必須同時說服我們兩個人，代表學生的研究成果會非常扎實，也可以為學生帶來信心。」重要的是，「學生也會得到兩倍的照顧與關愛，我覺得我們的學生是蠻幸福的」，謝雅萍笑笑地說。

本文由 美光科技 委託，泛科學企劃執行。

你是不是也有過這樣的經驗？本來想上樓到房間拿個東西，進到房間之後卻忘了上樓的原因，還完全想不起來；到超巿想著要買三四樣東西回家，最後只記得其中兩樣，結果還把重要的一樣給漏了；手機 Line 群組裡發的訊息，看過一轉身回頭做事轉眼就忘了。

發生這種情況，是不是覺得很懊惱：明明才想好要幹嘛，才不過幾秒鐘的時間就全部忘記了？吼呦！我根本是金魚腦袋嘛！記憶力到底是怎麼回事啊？要是能擁有更好的記憶力就好了！

金魚的記憶才不只 7 秒！

忘東忘西，我是金魚腦？！無辜地的金魚躺著也中槍！被網路流傳的「魚只有 7 秒記憶」的說法牽累，老是被拖下水，被貼上「記憶力不好、健忘」的標籤，金魚恐怕要大大地舉「鰭」抗議了！魚的記憶只有 7 秒嗎？

根據研究顯示，魚類的記憶可以保持一到三個月，某些洄游的魚類都還記得小時候住過的地方的氣味，甚至記憶力可以維持到好幾年，相當於他們的一輩子。

還有科學家發現斑馬魚在經過訓練之後，可以很快學會如何走迷宮，根據聲音信號尋找食物。但是當牠們壓力過大時會記不住東西，注意力分散也會降低學習效率，而且記憶力也會隨著衰老而逐漸衰退。如此看來，斑馬魚的記憶特點是不是跟人類有相似之處。

記憶力到底是怎麼回事？

為什麼魚會有記憶？為什麼人會有記憶？記憶力跟腦袋好不好、聰不聰明有關係嗎？這個就要探究記憶歷程的形成源頭了。

依照訊息處理的過程，外界的訊息經由我們的感覺受器（個體感官）接收到此訊息刺激形成神經電位後，被大腦轉譯成可以被前額葉解讀的資訊，最終會在我們的前額葉進行處理，如果前額處理後認為是有意義的內容就有可能被記住。

根據英國神經心理學家巴德利 Alan Baddeley 提出的工作記憶模式，前額葉處理資訊的能力稱為「短期工作記憶」，而處理完有意義、能被記住的內容則是「長期記憶」。

你可能會好奇「那記憶能被延長嗎」？只要透過反覆背誦、重覆操作等練習，我們就有機會將短期記憶轉化為長期記憶了。

要是能有超大記憶容量就好了！

比如當我們在接聽客戶電話時，對方報出電話號碼、交辦待辦事項，從接收訊息、形成短暫記憶到資訊篩選方便後續處理，整個大腦記憶組織海馬迴區的運作，如果用電腦儲存區來類比，「短期記憶」就像隨機存取記憶體 RAM，能有效且短暫的儲存資訊，而「長期記憶」就是硬碟等儲存裝置。

從上一段記憶的形成過程，可以得出記憶與認知、注意力有關，甚至可以透過刻意練習、習慣養成和一些利用大腦特性的記憶法來輔助學習，並強化和延長記憶力。

雖然人的記憶可以被延長、認知可以被提高，但當日常生活和工作上，需要被運算處理以及被記憶理解的事物越來越多、越來越複雜，並且需要被快速、大量地提取使用時，那就不只是記憶力的問題，而是與資訊取用速度、條理梳理、記憶容量有關了！

再加上短期記憶會隨著年齡增加明顯衰減，這時我們更需要借助一些外部「儲存裝置」來幫我們記住、保存更多更複雜的資訊！

美光推出高規格新一代快閃記憶體，滿足以數據為中心的工作負載

4K 影片、高清晰品質照片、大量數據、程式代碼、工作報告……在這個數據量大爆炸的時代，誰能解決消費者最大的儲存困擾，並滿足最快的資料存取速度，就能佔有這塊前景看好的市場！

全球第四大半導體公司—美光科技又領先群雄一步！除了推出 232 層 3D NAND 外，業界先進的 1α DRAM 製程節點可是正港 MIT，在台灣一條龍進行研發、製造、封裝。日前更宣布推出業界最先進的 1β DRAM，並預計明年於台灣量產喔！ 

美光不久前宣布量產具備業界多層數、高儲存密度、高性能且小尺寸的 232 層 3D NAND Flash，能提供從終端使用者到雲端間大部分數據密集型應用最佳支援。 

美光技術與產品執行副總裁 Scott DeBoer 表示，美光 232 層 3D NAND Flash 快閃記憶體為儲存裝置創新的分水嶺，涵蓋諸多層面創新，像是使用最新六平面技術，讓高達 232 層的 3D NAND 就像立體停車場，能多層垂直堆疊記憶體顆粒，解決 2D NAND 快閃記憶體帶來的限制；如同一個收納達人，能在最小的空間裡，收納最多的東西。

藉由提高密度，縮小封裝尺寸，美光 232 層 3D NAND 只要 1.1 x 1.3 的大小，就能把資料盡收其中。此外，美光 232 層 NAND 存取速度達業界最快的 2.4GB/s，搭配每個平面數條獨立字元線，好比六層樓高的高速公路又擁有多條獨立運行的車道，能緩解雍塞，減少讀寫壽命間的衝突，提高系統服務品質。

結語

等真正能在大腦植入像伊隆‧馬斯克提出的「Neuralink」腦機介面晶片，讓大腦與虛擬世界溝通，屆時世界對資訊讀取、儲存方式可能又會有所不同了。

但在這之前，我們可以更靈活地的運用現有的電腦設備，搭配高密度、高性能、小尺寸的美光 232 層 NAND 來協助、應付日常生活上多功需求和高效能作業。

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參考資料

1. https://pansci.asia/archives/101764
2. 短期記憶與機制
3. 感覺記憶、短期記憶、長期記憶  
4. 注意力不集中？「利他能」真能提神變聰明嗎？

快閃記憶體常被用在個人電腦的 USB 記憶體、數位相機或智慧型手機的記憶卡等地方。即使切斷電源，記憶內容也不會消失，屬於非揮發性記憶體，且與 DRAM 的隨機存取類似，可讀取、擦除、寫入內容。不過，快閃記憶體的動作較慢，無法取代 DRAM。

快閃記憶體由東芝的舛岡富士雄於 1984 年發明。

DRAM 會透過記憶體電容器累積的電荷來記憶資訊。而快閃記憶體則會透過 MOSFET 內的懸浮閘極累積電荷。

圖 4－11 為快閃記憶體的結構。MOSFET 的閘極與 Si 基板之間，有個不與任一方相連的懸浮閘極。

這個懸浮閘極就是快閃記憶體的特徵。電荷儲存在這裡時，因為周圍是由氧化膜（SiO₂）構成的絕緣體，所以電荷（電子）不會跑到其他地方。即使切斷電源，記憶體內的資訊也不會消失，為非揮發性記憶體。

快閃記憶體的懸浮閘極帶有電荷時，儲存的是「0」；無電荷時，儲存的是「1」。懸浮閘極可透過累積或釋放電子，來記錄或保存資訊。

圖 4－12(a) 為寫入「0」的情況。此時源極、汲極、基板皆為 0V，並對控制閘極施加正電壓。

於是，Si 基板內的電子就會穿過氧化膜，於懸浮閘極內蓄積。「電子可穿過絕緣體氧化膜」聽起來有些不可思議，不過氧化膜相當薄，厚度只有約數 nm，所以電子可以透過穿隧效應穿過氧化膜。

因此，Si 基板與懸浮閘極之間的氧化膜也叫做穿隧氧化膜。寫入資訊「1」時，懸浮閘極不會蓄積電子，所以什麼事都不會發生。

當我們想要消除資訊，也就是消除懸浮電極蓄積的電子時，需讓控制電極電壓為 0V，並對源極、汲極、基板施加正電壓，如圖 4－12(b) 所示。這麼一來，懸浮電極內蓄積的電子就會透過穿隧效應穿過氧化膜，移動到電壓較高的基板一側。於是，原本蓄積於懸浮電極的電荷就會消失。

另一方面，當我們想要讀取資訊時，只要在控制電極施加一定的正電壓，便可透過從源極流向汲極的電流，讀取儲存單元內的資訊（圖 4－13）。

若懸浮閘極內有蓄積電子（「0」的狀態），這些電子的負電會抵消掉控制閘極施加的正電壓，使電流難以通過底下的通道。

利用懸浮電荷量不同來控制記憶體

若懸浮閘極內沒有累積電子（「1」的狀態），閘極電壓就會直接影響到基板，與 MOSFET 的情況一樣，故下方會有電流通過。所以由電流的差異，就可以判斷儲存單元的資訊是「0」或「1」。

即使懸浮閘極內有蓄積電荷（圖 4－13 的「0」狀態），要是對控制閘極施加的電壓過高，源極與汲極之間還是會有電流通過。

也就是說，懸浮電荷量不同時，使電晶體開始產生電流的閾值電壓（V_th，參考第 89 頁）也不一樣。故我們可藉由懸浮電荷量的控制來記憶資訊。

由前面的說明可以知道，像圖 4－14(a) 這樣的單一儲存單元，只能記錄 1 個位元，可能是「0」或「1」。

用閾值電壓判斷單元狀態

不過，如果閾值電壓可任意控制，就可以將懸浮閘極依儲存的電荷量，從滿電荷到無電荷分成 4 個等級，如圖 (b) 所示。4 個等級可分別對應「01」、「00」、「10」、「11」。這麼一來，1 個儲存單元就可以記錄 2 位元的資訊。

因為每種狀態所對應的閾值電壓都不一樣，V_th01＞V_th00＞V_th10＞V_th11，所以讀取資訊時，可以由閾值電壓判斷該儲存單元處於何種狀態。

可分成 4 種狀態的單元稱為 MLC（Multi Level Cell）。另一方面，只有 2 種狀態的單元稱為 SLC（Single Level Cell）。

MLC 的 1 個儲存單元可以記錄 2 位元的資訊。如果將 V_th 分成更多區間，還可以記錄 3 位元、4 位元的資訊，進而提升容量。不過，MLC 懸浮閘極寫入電壓的控制技術相當困難，MOSFET 對干擾現象又特別敏感，所以要做成增加更多層相對困難。

快閃記憶體的缺點

另外，快閃記憶體在記錄、消除資訊時，需使用 10V 之類相對較高的電壓，電子才能突破穿隧氧化膜。因此，反覆讀寫會造成氧化膜劣化，最後使儲存單元無法保留電子。也就是說，快閃記憶體的壽命比其他記憶體還要短。寫入速度較慢也是一項缺點。

另一方面，快閃記憶體與 DRAM 不同，不使用電容器，所以1個晶片可搭載的儲存單元較多，較容易提升容量。

快閃記憶體的組成——NAND 型與 NOR 型

快閃記憶體與 DRAM 一樣，都是由許多儲存單元排列成矩陣的樣子。快閃記憶體可依組成分成 NOR 型與 NAND 型 2 種（圖 4－15）。

圖 4－16 為 NOR 型的快閃記憶體結構。除了字元線與位元線之外，還有「源極線」存在，且源極線需通以電流。

NOR 型的快閃記憶體運作方式與 DRAM 相近，較好理解。以圖中圈出來的儲存單元為例，讀取單元內的數值時，會在對應的字元線施加讀取用電壓，然後透過位元線讀取資訊。另一方面，消除或寫入資訊時，會對位元線施加寫入用電壓，字元線也會施加寫入用電壓。

實際上的運作相當複雜，所以不像 DRAM 那樣只有 0 與 1 的 2 種數值，不過和 DRAM一樣是一個個單元讀取、寫入。換言之，可以隨機存取儲存單元。

另一方面，NAND 型快閃記憶體的結構則如圖 4－17 所示。

NAND 型的結構中，同一條字元線串聯起許多儲存單元，稱為 1「頁」（page），多條字元線有許多頁，稱為 1 個「區塊」（block）。

圖 4－18 中，1 條位元線可串聯起許多儲存單元。這種結構有個特徵，那就是同一條位元線上，各個 MOSFET 的源極與汲極皆串聯在同一列上。這一列MOSFET製作在半導體基板上時，剖面圖如下。

基板上，1 個電晶體的源極，與相鄰電晶體的汲極共用同一個n^＋區域，所以表面不需設置電極。少了電極而多出來的空間，就可以用來提升電晶體的聚積密度。

不過這種結構下，1 條位元線的電流比 NOR 型的電流還要小，所以讀取速度比較慢。另外，因為 1 個儲存單元比較小，所以懸浮閘極保留的電荷也會比較少，使資料保存的可靠度較差。

NAND 型的擦除與寫入步驟

NAND 型快閃記憶體需以 1 個區塊（含有許多頁）為單位進行擦除，以 1 頁為單位進行寫入。

因此，要更改 1 頁的內容時，必須將含有這 1 頁之整個區塊的資訊暫時複製存放到外部的其他地方，然後刪去整個區塊的資料，然後再把區塊資料複製回來，同時把要更改的內容寫進去。

也就是說，即使只是要改寫 1 位元的內容，也必須將整個區塊的資料都刪除掉才行。因為必須一次刪除廣大範圍的資料，所以被取了「快閃」這個名字。

不過，寫入資料時是一次寫入一整頁資料，所以寫入速度比 NOR 型還要快。

若比較 NOR 型與 NAND 型，會發現 NOR 型的優點是讀取較快，資料的可靠度較高。所以像是家電的微處理器、含有簡單程式的記憶體等裝置，對讀取的需求大於寫入，便會採用 NOR 型快閃記憶體。雖然容量不大，寫入較慢，但這些裝置幾乎不會進行寫入動作，所以高可靠度、較快的讀取速度對它們來說比較重要。

然而，快閃記憶體的主要用途是 USB 記憶體或 SSD 等資料儲存裝置，常需改寫儲存單元內的資料。此時，NAND 型的高聚積化就會是很大的優點。因此 NAND 型目前才是快閃記憶體的主流。

——本文摘自《圖解半導體：從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》，2022 年 11 月，台灣東販出版，未經同意請勿轉載。