下一代 5nm 2D材料可望突破摩尔定律限制

根据比利时研究机构Imec指出，设计人员可以选择采用2D非等向性（颗粒状速度更快）材料（如黑磷单层），让摩尔定律（Moore‘s Law）扩展到超越5纳米（nm）节点。Imec研究人员在Semicon West期间举办的年度Imec技术论坛（Imec Technology Forum）发表其最新研究成果。

Imec展示的研究计划专注于实现高性能逻辑应用的场效电晶体（FET），作为其Core CMOS计划的一部份。Imec及其合作伙伴分别在材料、元件与电路层级实现协同最佳化，证实了在传输方向上可使用具有较小有效质量之2D非等向性黑磷单层的概念。这种黑磷夹层于低k电介质的介面层之间，并在高k电介质之上部署堆叠的双闸极，以控制原子级的薄层通道。

Imec展示了10nm节点的协同最佳化方案，并表示该架构可以使用半伏特（《 0.5V）的电源和小于50埃（0.5nm）的有效氧化物厚度，使其FET在5nm节点以后持续扩展摩尔定律，以实现高性能逻辑应用。

研究人员预测，所展示的架构、材料和协同最佳化技术将有助于产生可靠的FET，且其厚度可一直降低至单原子级，闸极长度短于20埃，推动纳米线FET持续进展成为FinFET的接班技术。Imec目前正评估除了黑色荧光粉以外的其他材料作为主要的备选技术，将纳米线FET延伸到原子级2D通道。

根据Imec，除了为FET延续摩尔定律的微缩规律以外，2D材料还有助于加强光子学、光电子学、生物感测、能量储存和太阳光电的发展。

Imec的研究伙伴包括来自比利时鲁汶天主教大学（Catholic University of Leuven）和义大利比萨大学（Pisa University）的科学家。这项研究的赞助资金来自欧盟（EU）的石墨烯旗舰（Graphene Flagship）研究计划以及Imec Core CMOS计划的合作伙伴，包括GlobalFoundries、华为（Huawei）、英特尔（Intel）、美光（Micron）、高通（Qualcomm）、三星（Samsung）、SK海力士（SK Hynix）、Sony Semiconductor Solutions和台积电（TSMC）共同赞助了这项计划。

有关这项研究的更多资讯刊载在《自然》（Nature）科学报导的“基于FinFET的2D材料-设备-电路协同最佳化可实现超大型技术制程”（Material-Device-Circuit Co-optimization of 2D Material based FETs for Ultra-Scaled Technology Nodes），Imec并在文中提供了为下一代10nm芯片高性能逻辑芯片选择材料、设计元件和最佳化性能的指导原则。

Imec解释，在闸极长度低于5nm的情况下，与闸极堆叠有关的2D静电特性所带来的挑战，更甚于2D FET材料直接源极到漏极的穿隧作用。