半导体元件微型化的下一场革命──NEMS

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据新兴晶片技术领域的专家表示,可说是微机电系统(MEMS)的“小表弟”的奈米机电系统(nanoelectromechanical systems,简称NMES),虽然目前还没没无闻,但在未来可能成為半导体產业界的要角。

Sematech製造联盟新兴技术副总裁Raj Jammy指出,其中的一个理由是,成熟的MEMS技术已经為各种不同的感测器,在iPhone等新潮电子產品中的应用开拓了庞大新市场,不过MEMS是针对特殊应用的元件:「NEMS则能提供整套的潜在应用方案。」

NEMS被形容為MEMS与奈米技术的结晶;在美国国防部高等研究计划署(Drapa)掌管NEMS研究的Dennis Polla表示:「如果某系统有一个关键机械零件或架构的尺寸小於1微米(micrometer),并且能整合其他不同的零件,那就是NENS。」他指出,该单位认為NEMS技术就是「下一场微型化革命」。

Darpa正在研究将NEMS技术与感测器、致动器(actuators)、电子元件与光学元件、甚至微流体元件整合的方法。而Sematech的Jammy则表示,从製造部门的角度来看:「没有人是真正在研究NEMS领域,也就是我们该如何将NEMS整合进CMOS製程?」

在日前(12月7~9日)於美国举行的2009年国际电子元件会议(IEDM)上,至少有9个研究单位发表了有关NEMS技术的论文,题目包括NEMS CMOS记忆体等应用;事实上,IEEE自2006年起就赞助NEMS技术会议,其第五届年会预计明年1月20~23日在中国厦门举行。

Jammy的观点是,现在时机已经成熟,可开始研究进行採用现有CMOS製程技术生產新式NEMS元件的方法:「要真正掌握该种元件的潜能,得用CMOS製程而非一般MEMS製程来生產,好让NEMS元件是与CMOS相容的。」

NEMS元件与其他许多新兴IC技术一样诉求低功耗特性,不过NEMS元件还有其他优势,包括高速度(gigahertz)、低漏电、与现有CMOS製造设备相容,以及可进军传统晶片无法运作之严苛环境,开创一系列特殊应用。

这意味著NEMS的角色将不只是做為iPhone内的触控感测器;Jammy举例说明,相关的严苛环境应用包括汽车、工业领域的储存设备,或是RF与生物医疗应用等等。Darpa也在研究NEMS元件的军事应用。

在元件层级,Sematech正与加州柏克莱大学、史丹佛大学等单位的研究人员合作,开发採用NEMS技术的记忆体元件,以及号称「零洩漏」的NEMS开关(switch),或是与CMOS技术整合的混合式开关元件。

在IEDM上所发表的NEMS研究,则包括整合NEMS与CMOS技术所製造、称為「鰭式正反器致动通道电晶体(fin flip-flop actuated channel transistor)的元件,以及採用奈米级石墨烯(graphene)材料所製造的低耗电NEMS开关元件。
 

 

 
 
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