當元件尺寸縮小到奈米尺寸後，不只省面積，可在單位面積上做更多電晶體，
實現更多功能；且成本更低、速率更快、頻率更高，在效率、良率各方面也都有更 好的進展，但相對的，奈米化之後，也存在著製程技術困難及量產困難等需改進的 缺點。本節將以閘極材料及自旋電子討論後 CMOS 時代的關鍵材料及技術。
3.3.1 閘極材料的演化及高介電（high-K）材料的使用
閘極材料的演化過程，大致是由 Al 等金屬到 poly-Si、poly-SiGe、GaAs、
SiON、InSb，然後到了目前當紅的碳奈米管(carbon nanotubes)，閘極尺寸亦不 斷減小且有新的建構設計。
MOS 電晶體初期的發展是以金屬（如鋁）做為閘極材質，這也是 MOS ( Metal-Oxide-Semiconductor )名稱的由來。近代的 CMOS 閘極多半使用多晶矽 (poly-Si)，多晶矽的特點在於 poly-Si 和氧化層的介面特性良好，且對溫度的忍 受範圍較大，可忍受高溫的製程，這是金屬閘極(metal gate)所無法達到的優點，
因此被廣汎地採用。而使用 poly-SiGe 做為閘極最主要的原因，則是可藉由改 變材料中的 Ge 含量調變電晶體的 Vth；同時 poly-SiGe 還有另一個優點，是在 固定的退火溫度下，活化速率遠較 poly-Si 為快。
在閘極結構的改良方面，還有很多研究集中在使用不同的閘極氧化層材料 來取代二氧化矽（silicon dioxide），例如高介電材料（high k dielectrics）的使用，
其目的在於降低閘極漏電流（leakage current）。
3.3.1.1 高介電係數材料
近年來，由於進展至奈米級的精密程度，細微晶片溢出電流的問題，
使摩爾定律能否持續發揮受到挑戰。電腦矽晶片的一個電晶體上設有一個 開關閘門，以開或關來使電流通過或不通過，其下有一薄細的二氧化矽做 為絕緣體（a thin silicon dioxide insulator underneath），但此一絕緣體愈薄 細，溢出電流會愈多，此一溢出的電流會產生熱能散發出來，並使電池耗 盡。高介電率材料可做為絕緣體，其可以比二氧化矽做為材質的薄細線做 得更細薄，但仍允許導電的電流順利通過。
3.3.2 關鍵技術發展－自旋電子
為使晶片的性能依照摩爾定律（Moore’s Law）的預測成長，元件尺寸越做 越小，當半導體製程發展到八奈米製程技術之後，英特爾預估在 2020 年，若繼 續以既有的 CMOS 半導體製程進行線距微縮的技術，終究會面臨到物理上無法 突破之極限的困境[3.9]，因此新的技術及材料的研究勢必為一重要課題。
針對這些困難，許多國家的晶片製造商、大學和政府相關單位都在研究新 一代的製造技術以突破即將面臨到的生產瓶頸。在研究中的技術有：碳奈米管 (nanotubes)、奈米線(nanowires)、分子電子(molecular electronics) 、三閘電晶體 (trigate transistors)、III-V 族半導體晶片、相變化邏輯元件和自旋電子(spintronics) 等。
3.3.2.1 自旋電子（部分內容可與前章 2.2.5 自旋電子做對應）
如同在 IT-Hardware 的報告所述，考量成本效益，自旋電子(spintronics) 似乎是在後 CMOS 時代最具潛力的元件技術。
自旋電子是指運用分子自旋軸方向表示邏輯電位的電路裝置。運用 Mn（錳）、Ga（鎵）、As（Arsenic 砷）等製造具備強磁性的強鐵半導體，
打造新一代分子自旋軸向控制電路。其原理是運用加電壓，將帶電荷分子 自轉的軸向改變，來定義所謂的邏輯電位 0 或邏輯電位 1，記錄單位微縮 到只有一個分子大小。
傳統電子電位提升一階至少要 1.7x10-2eV 伏特，但以自旋電子而言，
如果要將自旋軸向反轉 180 度，則只需要 8.6x10-8eV 伏特，所需要能量比 前者小了非常多，這是自旋電子的重要優點。換言之，若自旋電子電路裝 置果真能成功的製造出來，並且驗證可以在常溫下穩定運作，不僅晶片的 總功耗可以大幅下降，連電路的物理運算極限密度，都可以再進一步壓縮 [3.9]。未來若能研究成功使這項技術從實驗室階段走到業界，對產業來說 將是一件值得開心的好消息。
3.3.2.1.1 砷化鎵有機會成為下一代自旋電子元件的候選材料之一 根據前章2.2.5自旋電子所提及的高能量自旋電子元件，Princeton University 研究人員藉由scanning tunneling microscope，將磁性錳原子 替代單個鎵原子，以試驗不同的晶格架構來最佳化晶格性能，也因此 發現了一種新的自旋電子材料的最佳晶格架構─gallium manganese arsenide。研究主持人Dr. Ali Yazdani表示：「在原子的等級上適應半導 體的能力，是電子學領域的Holy Grail，這也是最終必行之道。」由於 其電子遷移性(electron mobility)遠高於矽，因此砷化鎵將會是下一代自 旋電子元件的候選材料之一。該研究小組將磁性原子結合到一個錳化 砷鎵半導體中，以期能夠分別控制旋轉和負載，進而開發出高能量的 自旋電子元件。他們希望能夠利用電洞充足的砷化鎵，以及其高能量、
電洞居中(hole-mediated)等特性的交互作用，來開發出能儲存和處理電 洞的磁自旋方向的新元件。[3.12]
3.3.2.1.2 自旋電子元件採用磁性材料所帶來的挑戰
由於自旋電子元件多採用磁性材料，如：鎳、鐵、鈷，以及普通 半導體中的合金等。因此在針對MRAM加工的腐蝕、定型以及將磁性 材料整合在矽製程方面困難重重。同時，晶片上磁性元件在於讀、寫 模式下的行為也是一個重大障礙，原因在於研究人員必須發現並修復 它們，才得以讓MRAM更加可靠。