5nm工艺节点以后,半导体器件的发展方向

2019-05-13
14:00:10
来源: 半导体行业观察

在集成电路发展的长河中,摩尔定律一直扮演着重要的角色。但近些年来,在工艺节点不断向前推进的过程中,晶体管尺寸已经接近物理极限,半导体器件也面临着短沟道效应、漏栅极漏电流增大,功耗增大的挑战。在这种形势下,摩尔定律这个“花甲老人”也逐渐走不动了。于是,半导体从业者开始思考在超摩尔定律下的发展契机——新材料和新原理器件被提纲上线。

根据ITRS(国际半导体技术蓝图)显示,FinFET、FDSOI工艺撑起了10nm节点以前的天地。而当工艺节点进入到10nm以后,传统硅通道开始被其他材质的通道取代,III族和V族的新材料开始崭露头角。尤其是在进入5nm工艺节点之时,ITRS认为,二维原子晶体材料器件将为后摩尔时代带来新的机遇。

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二维原子晶体材料简称二维材料,因载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内,使得相关器件拥有了较高的开关比、超薄沟道、超低功耗而受到了广泛关注。与此同时,二维材料却又因为在大面积高质量薄膜及异质结构的可控生长、发光器件效率较低、高性能二维器件制备及系统集成工艺上遇到了瓶颈,也使得相关从业者在这些方面上展开了研究。伴随着研究的深入,二维材料由于其带隙可调的特性,使之在场效应管、光电器件、热电器件等领域应用广泛。至此,新型二维材料和狄拉克薄膜材料为新物理器件提供了契机。

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自2004年英国曼彻斯特大学Geim研究组成功剥离出石墨烯以来,二维原子晶体材料更是迎来了高光时刻。经历了短短十多年的快速发展,基于二维材料的电子、光电子器件的研究取得了一系列引人注目的成果。

其中,就光电探测器的发展而而言,该器件的发展存在着两个主要挑战:第一,减少传统使用的“非晶态”的薄膜材料的厚度,会降低材料的质量;第二,当超薄材料变得更薄的时候,它们几乎变得透明,实际上会丧失一些聚集和吸收光线的能力。

而二维材料的出现,就极大地推动了光电探测器的发展。传统的三维薄膜半导体(如Si、GaN、InGaAs、InSb、HgCdTe等)一直占据着光电探测市场的主导地位。而下一代光电探测器则向着宽波段、超灵敏、超小像元、超大面阵及多维度光信息探测等方向发展。相比较于传统三维薄膜半导体,二维材料在一个维度的尺寸远小于光波长,能够获得较低的暗电流及噪声,具有功耗小、波段宽的优点。

同时,为了达到最优的探测器相应速度,需要在探测器的吸收层厚度和光电探测器的面积中寻找平衡。但是,石墨烯光电探测器具有低响应率,较慢的光响应时间和低外部量子效率(0.1-0.2%)等局限性。所以,为了寻找其他光电探测器二维材料来提高响应率和光谱选择性,科学家们对石墨烯的关注热情也逐渐拓展到了其他的二维材料上,也因此,越来越多的二维材料被发现并研究。这些二维材料就包含过渡金属硫化物、过渡金属氧化物以及氮化硼等。

复旦大学围绕新型薄膜材料的新原理器件,利用分子束外延生长晶圆级薄膜材料,开展新原理晶体管和光电器件的研究工作。提出了薄膜晶体生长的新方案,解决了可控生长和掺杂的难题,实现了光电探测器。

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