Физические основы микроэлектроники; Электроника; Флеров А.Н., 2015
Лекция 12, тезисы
Некоторые перспективные направления развития транзисторной микроэлектроники
Производство транзисторов для СБИС в традиционном виде, то есть со стоком, истоком и затвором, предположительно возможнолишь до 2020-2025 гг.
К тому времени размеры всех элементов кремниевого транзистора достигнут атомарных размеров и уменьшать их дальше будет просто невозможно.
2020 год - это фактически рубеж, когда закон Мура перестанет действовать, а кремний потеряет свою актуальность как основной материал микроэлектроники (для СБИС).
Зако́н Му́ра— эмпирическое наблюдение, сделанное в 1965 году Гордоном Муром,Intel(через шесть лет после изобретения интегральной схемы) - число транзисторов на кристалле будетудваиваться каждые 24 месяца.
При анализе графика роста производительности запоминающих микросхем им была обнаружена закономерность (правило, закон): появление новых моделей микросхем наблюдалось примерно через одинаковые периоды времени (18-24 мес.).
При этом количество транзисторов в них возрастало каждый раз приблизительно вдвое.
При сохранении этой тенденции, мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени будет возрастать экспоненциально (рис.12.1).
В 2007 году Г. Мур заявил, что закон, очевидно, скоро перестанет действовать из-за атомарной природы вещества и ограничения скорости света.
Рис. 12.1 Иллюстрация закона Мура. Зависимость числа транзисторов на кристалле микропроцессора от времени.
http://www.overclockers.ua/news/hardware/2012-05-02/109195/
На рис. 12.1 вертикальная ось имеет логарифмическую шкалу, то есть кривая соответствует экспоненциальному закону - количество транзисторов удваивается примерно каждые 2 года.
До недавнего времени постоянно уменьшались размеры элементов транзисторов пока толщина слоя оксида кремния (SiO2), используемого в транзисторе в качестве диэлектрика, не была доведена практически до минимума – 1,2 нм, т.е. всего 3-4 атомарных слоя.
От постоянного уменьшения геометрических размеров транзисторов (Intel) перешла также к изменению их прочих параметров, включая конструкцию и материал:
- был создан новый материал на основе гафния для подзатворного диэлектрика;
- разрабатывается модель с так называемым объемным, или трехмерным затвором, что позволит увеличить рабочий ток транзистора и одновременно снизить токи утечки;
- использование для изготовления транзисторов других материалов вместо кремния.
Например: антимонид индия (InSb) имеющий подвижность электронов в 50 раз выше, чем в кремнии, что сразу же дает колоссальный выигрыш по всем параметрам устройства.
- прорабатывается возможность использования нанотрубок инанонитей, которые также исследуется в лабораториях Intel.
Уже сейчас и другие ведущие фирмы ищут принципиально новые материалы и технологии для создания транзисторов будущего.
В числе перспективных направлений исследований рассматриваются:
- молекулярный транзистор;
- спиновый транзистор;
- графеновый транзистор;
- квантовый транзистор на основе интерференции волн;
- транзистор на квантовых точках;
- транзисторы на основе нанотрубок;
- ферроэлектрический транзистор и пр.
Пока невозможно представить, как именно будут выглядеть транзисторы через 15-20 лет, но весьма вероятно: это будут устройства с молекулярными размерами, абсолютно не похожие на существующие ныне CMOS-транзисторы.
Создание новых транзисторов, на иных физических принципах в настоящее время находится на стадии создания макетных образцов и лабораторных исследований.
Молекулярный транзистор
Теоретически для хранения бита информации подходит двухуровневая система, которую относительно легко можно перевести из одного состояния в другое.
Молекулярный транзистор- транзистор размером с одну молекулу, которая может существовать в двух устойчивых состояниях с разными физическими свойствами.
Еще в 1959 году Ричард Фейнман высказал идею - молекулы, обладающие определенными свойствами, смогут работать как элементарные переключатели и заменить собой транзисторы.
Размеры молекулярного транзистора будут на два порядка меньше самых миниатюрных кремниевых транзисторов, а его эффективность (снижение мощности переключения, увеличение рабочей частоты переключений) может оказаться в млрд. раз отличаться по сравнению с современным кремниевым транзистором.
Переводить молекулу из одного состояния в другое (“переключать”) можно с помощью различных полей – электромагнитного (светового и инфракрасного диапазонов), магнитного поля и т.д., т.е. формируя однобитную систему, воспроизводящую на молекулярном уровнефункциюклассического ключевого транзистора.
Веществ, молекулы которых, могут менять свою структуру при определенном физико-химическом воздействии, известно достаточно.
Например:
- спиробензопирены«переключаются» в другое состояние под действием ультрафиолета, а обратно - с помощью обычного света.
- молекулярный транзистор из тиона.
Тионы- органические вещества со свойствами полупроводников.
Bell Labs (2001 г) получила органическую молекулярную структуру с двумя устойчивыми состояниями, “преобразующую” логический ноль в единицу и обратно.
Размер канала этого органического транзистора равен длине одной молекулы (1-2 нм).
Молекулярный транзистор (промышленный) - 2020-2025 гг???.
Cпиновый транзистор
Иан Аппельбаум (Делавэрский университет, США), 2007г.
Спин электрона(собственный момент количества движения) - это внутренняя характеристика электрона, имеющая квантовую природу и не зависящая от движения электрона.
Спин электрона может находиться в одном из двух состояний — либо «спин-вверх» (направление спина совпадает с направлением намагниченности магнитногоматериала), либо «спин-вниз» (спин и намагниченность разнонаправлены).
Электроны в веществе в среднем неполяризованы - электронов со спином вверх и со спином вниз примерно поровну.
Для получения достаточно сильного спинового тока необходимо поляризовать спины, упорядочив их в одном направлении.
Кроме того необходимо чтобы время жизни спина (время, в течение которого направление спина не меняется) было достаточно большим для передачи электрона на нужные расстояния.
Для манипуляции спиновыми свойствами, характеризующимися направлением спина и временем его жизни, необходимо использовать внешнее магнитное поле.
Спиновый транзисторбудет обладать высокой скоростью реагирования на управляющий сигнал и потреблять значительно меньше энергии, чем устройства традиционной электроники.
Достоинства:
- переворот спина, в отличие от перемещения заряда, практически не требует затрат энергии;
- в промежутках между операциями спинтронное устройство отключается от источника питания;
- при изменении направления спина кинетическая энергия электрона не меняется, и значит, тепла почти не выделяется;
- скорость изменения положения спина (переворот спина) осуществляется за несколько пикосекунд.
Графеновый полевой транзистор—FETтранзистор изграфена.
Открытый в 2004 году наноматериал под названием графен (Graphene) сформирован из "сотовой" решётки атомов углерода атомарной толщины.
Андрей Гейм, Константин Новоселов- лауреаты Нобелевской премии в области физики за 2010 год за создание графена.
Отличительное свойство графена – рекордно высокая подвижностьносителей (электронов, и дырок).
Этот материал перспективен для достижения высоких рабочих частот, до 100 ГГц (корпорации IBM) и в перспективе – вплоть до терагерца.
СВЧ транзисторы на основе дорогих полупроводниковых материалов – фосфида индия или арсенида галлия – имеют аналогичные характеристики.
Квантовый транзистор. Квантовомеханические эффекты
Физики, разработчики новых транзисторных структур вплотную подошли к области, где начинают работать квантовые законы, а не законы, связанные с классической электростатикой и электродинамикой.
Несколько атомов - кластер или молекула - тот уровень миниатюризации, на котором существенны пространственные квантовомеханические эффекты, которые необходимо учитывать.
Квантовомеханические эффекты:
Эффект Ааро́нова - Бо́ма(иначеэффект Эренберга - Сидая - Ааронова -Бома) -квантовомеханическоеявление, в процессе которого на частицу сэлектрическим зарядомилимагнитным моментомэлектромагнитное полевлияет даже в тех областях, где сами по себеэлектрическое полеEимагнитное полеBравны нулю.
Эффект Джозефсона— явление протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. Такой ток называют джозефсоновским током, а такое соединение сверхпроводников - джозефсоновским контактом.
Эффект Мейснера(в некоторых источниках - эффект Мейсснера) - полное вытеснение магнитного поля из объёма проводника при переходе в сверхпроводящее состояние.
Квантовый интерференционный транзистор
В квантовой физике работы такого транзистора существенным является то, что электрон движется не только как частица, но и как волна, а значит, волновые процессы будут накладывать существенные влияние на физику процессов при уменьшении размеров транзисторов.
Квантовый размер малых систем задается длиной волны де Бройля (de Broglie) составляющих системы частиц и расстоянием, на протяжении которого сохраняется когерентность волновой функции.
Во́лны де Бро́йля- волны, связанные с любой микрочастицей и отражающие их квантовую природу.
В 1924 году французский физик Луи де Бройльвысказал гипотезу о том, что установленный ранее для фотоновкорпускулярно-волновой дуализмприсущ всем частицам -электронам, протонам, атомами т.д., причём количественные соотношения между волновыми и корпускулярными свойствами частиц те же, что и для фотонов.
Если частица имеет энергию Eи импульс,абсолютное значениекоторого равноp *), то с ней связана волна, частота которой
ν = E / h (12.1)
и длина волны
λ = h / p, (12.2)
где h - постоянная Планка. Формула де Бройля.
Эти волны получили название волн де Бройля.
Учтя энергию валентных электронов и ширину зоны проводимости, получаем оценочное значение длины волны, соответствующей частице, - около нанометра.
На подобных расстояниях в квантовом мире становятся заметными явления, невозможные в классической физике.
Другая важная характеристика волны — длина когерентности. Она характеризует предельное расстояние, на котором волна сохраняет фазу.
На меньших расстояниях возможны квантовые эффекты, аналогичные интерференции световых волн. В обычных условиях длина когерентности электрона в твердом теле не превышает 10 нм,
Оптическая аналогия позволяет наглядно представить работу квантового нтерференционного транзистора.
На рис.12,2а изображен оптический двухлучевой интерферометр, а также схема электронного транзистора с квантовым кольцевым контуром.
Пропускание интерферометра (оптического или электронного) однозначно зависит от разности набега фаз по двум путям.
Транзисторный эффект (изменение состояния) достигается за счет изменения фазы волны электрона в одном из плеч интерферометра с помощью затворного напряжения, прикладываемого к электроду Э3.
а) б)
Рис. 12.2. Интерференционные транзисторы
Еще одна схема квантового транзистора на основе интерферометра Фабри-Перо (рис.12.2.б).
Оптический резонатор, образованный зеркалами М1 и М2, реализуется в транзисторе с помощью тонкой проводящей нити - квантовой проволоки длиной L, отделенной от электродов Э1 и Э2 полупрозрачными для электронной волны барьерами.
Условие максимума пропускания - условие резонанса волны де Бройля в квантовой яме длиной L.
Транзисторный эффект достигается путем изменения длины волны электрона с помощью напряжения, приложенного к электроду Э3.
Квантовыми проволокаминазывают структуры толщиной всего в один атом.
Н.Д.Ланг и П.Авурис, IBM, выполнили теоретический расчет проводимости квантовой проволоки, состоящей из атомов углерода.
Наряду с интерференционными транзисторами разрабатываются квантовые транзисторы других типов - баллистического, с эффектом Джозефсона, с кулоновской блокадой.
Транзистор на квантовых точках
Квантовая точка— фрагмент проводника или полупроводника, ограниченный по всем трём пространственным измерениям и содержащий электроны проводимости. Точка должна быть настолько малой, чтобы были существенны квантовые эффекты.
Электрон в таком микрокристалле чувствует себя как электрон в трёхмерной потенциальной яме, он имеет много стационарных уровней энергии с характерным расстоянием между ними (точное выражение для уровней энергии зависит от формы точки)
E=h2/ 2md2 (12.3 )
d - характерный размер точки,
m - эффективная масса электрона на точке, **)
Пример:
Nature Nanotechnology , “Spectroscopy of few-electron single-crystal silicon quantum dots”
Транзистор на основе кремния, содержащий лишь семь атомов фосфора в наноостровке (квантовой точке) размером 3х4 нм.
Квантовые точки — один из главных кандидатов для представления кубитовв квантовых вычислениях.
Куби́т(q-бит, кьюбит; отquantum bit) —квантовый разрядили наименьший элемент для хранения информации вквантовом компьютере.
Слово «qubit» ввел в употребление Бен Шумахер из Кеньон-колледжа (США) в 1995 г.,
Квантовый компьютер- вычислительное устройство, работающее на основе законов квантовой механики.
Пока гипотетическое устройство, квантовый компьютер принципиально отличается от классических компьютеров, работающих на основе классической механики.
Модели квантовых компьютеров (до 10 кубитов) уже построены (на существующей элементной базе) и могут применяться для повышения эффективности вычислений.
ПРИМЕЧАНИЕ
*) В релятивистской механике трёхмерный импульс частицы p
(12.4)
**) В физике твёрдого тела, эффективной массой частицы называется динамическая масса, которая появляется при движении частицы в периодическом потенциале кристалла.
Можно показать, что электроны и дырки в кристалле реагируют на электрическое поле так, как если бы они свободно двигались в вакууме, но с некой эффективной массой, которую обычно определяют в единицах массы покоя электрона me (9.11×10−31 кг). Она отлична от массы покоя электрона.
Углеродные нанотрубки
К одной из перспективных технологий можно отнести использование в производстве транзисторов карбоновых (углеродных) нанотрубок (Carbon Nanotube).
Углеродные нанотрубки, называемыефуллеренами илиуглеродными каркасными структурами, - это большие молекулы, состоящие только из атомов углерода.
В конце 80-х - начале 90-х годов фуллерены научились получать в макроскопических количествах, а в 1991 году неожиданно были открыты новые фуллерены, напоминающие длинные цилиндрические каркасные формы, - их назвалинанотрубками.
В поперечном сечении их размер обычно составляет несколько нанометров, в то время как по длине они могут достигать гигантских размеров - вплоть до миллиметра.
Визуально структуру таких нанотрубок можно представить как графитовую плоскость (то есть плоскость, в которой атомы углерода упакованы по типу графита), из которой вырезана длинная полоска, свернутая в цилиндр.
Этот цилиндр - карбоновая нанотрубка.
Рис. 12.3 Форма нанотрубки
Степень скрученности нанотрубки, которая оказывает значительное влияние на ее электрические свойства, определяет ее зонную структуру и взаимное расположение валентной зоны и зоны проводимости на энергетической диаграмме.
При определенной скрученности нанотрубка будет обладать электронной проводимостью по типу металлов.
В других случаях нанотрубки являются полупроводниками, и между зоной проводимости и валентной зоной существует запрещенная зона с шириной от нескольких десятых до единиц электрон-вольт (эВ).
Причем, чем меньше диаметр нанотрубки, тем больше ширина запрещенной зоны.
Одно из применений нанотрубок - создание полевых транзисторов, в которых роль канала проводимости выполняет именно нанотрубка.
Рис. 12.4 Структура полевого транзистора на основе нанотрубки
Принцип действия полевого транзистора на основе нанотрубки подобен принципу действия традиционного транзистора, но каналом переноса заряда в данном случае является сама нанотрубка.
В простейшем случае транзистор с нанотрубкой выглядит так, как показано на
рис. 12.4.
На подложку из кремния, которая сама является управляющим электродом (затвором), наносится тончайшая пленка защитного слоя - оксида кремния.
На этой пленке расположены сток и исток в виде тонких проводящих рельсов, между которыми располагается сама нанотрубка с полупроводниковой проводимостью.
В обычном состоянии концентрация свободных носителей зарядов (дырок и электронов) в нанотрубке мала, то есть она является диэлектриком с запрещенной зоной шириной в несколько электрон-вольт.
При помещении нанотрубки в электрическое поле ширина запрещенной зоны меняется и концентрация свободных носителей зарядов увеличивается - нанокарбоновая трубка становится проводником.
Электрическое поле, управляющее проводимостью нанокарбоновой трубки, создается затвором (кремниевая подложка).
При потенциале затвора порядка нескольких вольт концентрация свободных носителей заряда в валентной зоне достигает максимума и нанотрубка становится хорошим проводником.
Меняя напряжение на затворе, можно управлять проводимостью нанотрубки т.е. открывать или запирать транзистор.
Первой компанией, изготовившей в 2001 году транзистор на нанотрубках, стала IBM. С тех пор было разработано множество альтернативных схем транзисторов с нанотрубками.
В Samsungбыла создана схема транзистора с вертикальным расположением нанотрубок.
Другое применение нанотрубок — это создание энергонезависимой оперативной памяти NRAM (Nonvolatile Random Access Memory) компании Nantero.
Плотность записи информации в устройствах NRAM может достигать 5 млрд бит на квадратный сантиметр, а частота работы памяти — до 2 ГГц.
Nantero выпустила модуль NRAM-памяти емкостью 10 Гбит. Массовое производство модулей NRAM-памяти, вероятно, начнется через год-два.
Ферроэлектрический транзистор
Даррелл Шлом (Darrell Schlom), Корнелльский университет.
Ферроэлектрический транзисторна оксидном соединении –титанате стронциявыполнен в виде пленки толщиной всего в несколько атомов на кремниевой подложке.
Ферроэлектрические материалы (сегнетоэлектрики) уже давно используются в современной микроэлектронике - титанат-цирконата свинцаилитанталат стронция-висмутаиспользуются в различных смарт-картах.
Ферроэлектрики отличаются способностью быстро переключаться из одного состояния памяти в другое с использованием минимального электрического тока.
В определeнном интервале температур эти материалы обладают собственным электрическим дипольным моментом, который можно переориентировать путем приложения внешнего электрического поля.
Это свойство позволяет считывать и записывать на них информацию без внутреннего источника питания.
Применение: основа логической ячейки для быстрой энергонезависимой памяти.
Кремниевая фотоника
Кремниевая фотоника - научные исследования и разработки, находящиеся на стыке квантовой оптики и кремниевой электроники.
Фотонные устройства, состоящие из лазеров, модуляторов и волоконно-оптических кабелей, можно использовать для компьютерных вычислений и интегрировать в процесс производства кремниевых полупроводниковых приборов.
Также их мвозможное применение - в многоканальных сверхскоростных каналах связи.
В настоящее время аппаратно(Intel) воплощены все необходимые элементы для передачи данных с помощью света в СБИС –лазер, модулятор, волокна, детектор.
Задача: собрать все эти элементы воедино в компактной форме и подготовить для коммерческого использования.
Предположительно в чип будут интегрироваться десятки кремниевых лазеров, модуляторов и мультиплексор, что позволит создавать оптические каналы связи с терабитной (1000000 мегабит)пропускной способностью.
02.2013 Флёров А.Н. курс “ Электроника и МПУ” Для самостоятельного изучения
ПРИЛОЖЕНИЕ 6