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次5nm 2D材料可望突破摩爾定律限制?
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根據比利時研究機構Imec指出,設計人員可以選擇採用2D非等向性(顆粒狀速度更快)材料(如黑磷單層),讓摩爾定律(Moore's Law)擴展到超越5奈米(nm)節點。Imec研究人員在Semicon West期間舉辦的年度Imec技術論壇(Imec Technology Forum)發表其最新研究成果。
 
Imec開發的次5nm 2D通道場效電晶體(FET)架構,顯示堆疊閘極和原子薄層結構(來源:Imec)
Imec展示的研究計畫專注於實現高性能邏輯應用的場效電晶體(FET),作為其Core CMOS計畫的一部份。
 
Imec及其合作夥伴分別在材料、元件與電路層級實現協同最佳化,證實了在傳輸方向上可使用具有較小有效品質之2D非等向性黑磷單層的概念。這種黑磷夾層於低k電介質的介面層之間,並在高k電介質之上部署堆疊的雙閘極,以控制原子級的薄層通道。

Imec展示了10nm節點的協同最佳化方案,並表示該架構可以使用半伏特(< 0.5V)的電源和小於50埃(0.5nm)的有效氧化物厚度,使其FET在5nm節點以後持續擴展摩爾定律,以實現高性能邏輯應用。

研究人員預測,所展示的架構、材料和協同最佳化技術將有助於產生可靠的FET,且其厚度可一直降低至單原子級,閘極長度短於20埃,推動奈米線FET持續進展成為FinFET的接班技術。Imec目前正評估除了黑色螢光粉以外的其他材料作為主要的備選技術,將奈米線FET延伸到原子級2D通道。

根據Imec,除了為FET延續摩爾定律的微縮規律以外,2D材料還有助於加強光子學、光電子學、生物感測、能量儲存和太陽光電的發展。

Imec的研究夥伴包括來自比利時魯汶天主教大學(Catholic University of Leuven)和義大利比薩大學(Pisa University)的科學家。這項研究的贊助資金來自歐盟(EU)的石墨烯旗艦(Graphene Flagship)研究計畫以及Imec Core CMOS計畫的合作夥伴,包括GlobalFoundries、華為(Huawei)、英特爾(Intel)、美光(Micron)、高通( Qualcomm)、三星(Samsung)、SK海力士(SK Hynix)、Sony Semiconductor Solutions和台積電(TSMC)共同贊助了這項計畫。

有關這項研究的更多資訊刊載在《自然》(Nature)科學報導的「基於FinFET的2D材料-設備-電路協同最佳化可實現超大型技術制程」(Material-Device-Circuit Co-optimization of 2D Material based FETs for Ultra-Scaled Technology Nodes),Imec並在文中提供了為次10nm晶片高性能邏輯晶片選擇材料、設計元件和最佳化性能的指導原則。Imec解釋,在閘極長度低於5nm的情況下,與閘極堆疊有關的2D靜電特性所帶來的挑戰,更甚於2D FET材料直接源極到漏極的穿隧作用。
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