Физика, технология и элементная база современной электроники Плюснин Николай Иннокентьевич, д.ф.-м.н.,

реклама
Физика, технология и элементная база
современной электроники
Плюснин Николай Иннокентьевич,
д.ф.-м.н.,
проф. кафедр:
ИСКТ ВГУЭС и КПРЭА ДВГТУ,
зав. лаб. ИАПУ ДВО РАН
1
Примеры приборов наноэлектроники
Среди элементов на квантовых эффектах одним
из первых (в начале 90-х годов) появился
транзистор на резонансном туннелировании. Он
представляет собой двухбарьерный диод на
квантовых ямах, у которого потенциал ям и
соответствующие резонансные условия
контролируются напряжением смещения (рис.2).
Этот транзистор имеют частоты переключения
порядка 1012 Гц, что в 100-1000 раз выше, чем у
самых лучших кремниевых транзисторов из
современных интегральных микросхем. Есть,
кроме того, предложения по созданию на
транзисторах с резонансным туннелированием
ячеек статической памяти.
2
Примеры приборов наноэлектроники
Рис. 2 Схема
работы и вольтамперная
характеристика
резонансного
туннельного
диода
3
Примеры приборов наноэлектроники
Рис. 3
Туннелирование
электрона с
энергией E через
потенциальный
барьер высотой
U, U > E
4
Примеры приборов наноэлектроники
Электрон, как волна, хотя и с потерей энергии, но
проходит через барьер. А наличие, кроме
барьера, потенциальной ямы из-за квантования
энергетических состояний приводит к
резонансному характеру туннелирования. То
есть просочиться через такую структуру могут
лишь электроны с определенной энергией (см.
рис.2).
5
Примеры приборов наноэлектроники
В 1986 году был предложен транзистор на эффекте
кулоновской блокады, состоящей из двух
последовательно включенных туннельных
переходов (рис.4). В нем туннелирование
индивидуальных электронов контролируется
потенциалом, приложенным к средней между двумя
прослойками тонкого диэлектрика области.
Количество электронов в этой области прибора
(порядка 10 нм) должно быть не более 10. Два
возможных состояния 0 и 1 - это присутствие или
отсутствие индивидуального электрона. Тогда схема
памяти емкостью 1012 бит (в 1000 раз больше, чем у
современных СБИС) разместится на кристалле
площадью всего 6,45 см2.
6
Примеры приборов наноэлектроники
Рис. 4
Одноэлектронный
транзистор на
эффекте кулоновской
блокады, состоящий
из двух
последовательно
включенных
туннельных
переходов
7
Примеры приборов наноэлектроники
Рис. 3
Рис.5 Прохождение электроном
структуры металл-диэлектрик-металл
и аналогия с отрывающейся от края
трубки каплей. При приложении
потенциала на границе начинает
накапливаться заряд, пока его
величина не окажется достаточной
для отрыва и туннелирования через
диэлектрик одного электрона. После
этого система возвращается в
первоначальное состояние и далее
все повторяется вновь. Перенос
заряда в такой структуре
осуществляется порциями, равными
заряду одного электрона.
8
Примеры приборов наноэлектроники
В 1993 году японскими учеными (Ю. Вада и др.)
было разработано новое семейство цифровых
переключающих приборов на атомных и
молекулярных шнурах (рис. 6). Общий размер такой
структуры составляет менее 10 нм, а рабочие
частоты оцениваются величинами порядка 1012 Гц.
Переключающий атом смещается (на >0,4 нм) из
атомного шнура электрическим полем,
приложенным к переключающему электроду.
Предполагается, что они позволят создать
суперкомпьютер c оперативной памятью 109 байт на
площади 200 мкм2. Для создания атомных реле
требуется сканирующий атомный зонд,
обеспечивающий манипуляцию атомами.
9
Примеры приборов наноэлектроники
Рис. 6 Ячейка памяти
состоит из атомного
шнура,
переключающего
атома (на рисунке он
показан красным
цветом) и
переключающего
электрода.
10
Усовершенствование традиционной
элементной базы
IBM и Massachusetts
Institute of Technology
создали полевой
транзистор (MOSFET)
с длиной канала
меньше 10нм. На
рисунке показан
разрез структуры (a)
и его электронномикроскопическое
изображение (b).
11
Усовершенствование традиционной
элементной базы
Это структура кремний на изоляторе (SOI) с тонким
(~15нм) слоем нелегированного кремния (p-~5x1014см3) с ориентацией (100). С помощью молекулярнолучевой эпитаксии (МЛЭ) на этом слое выращивается
сверхсильно (n++ - 1020см-3) легированный сурьмой
слой кремния (30нм) с границей менее 0.5нм. Далее
его разрезают V-образной канавкой на две области
истока и стока. Образовавшийся зазор (10нм) в слое
нелегированного кремния - канал транзистора. На
поверхности канавки выращивают слой окиси
кремния (2.5нм), а на нее наносится слой вольфрама
(50нм), который покрывается алюминием.
12
Усовершенствование традиционной
элементной базы
В итоге была получена высокая баллистическая
проводимость канала и малое последовательное
сопротивление контактов истока и стока. В открытом
состоянии транзистора при напряжении на затворе
выше порогового (0.5В) электроны из
сильнолегированного слоя заливают канал и
обеспечивают его проводимость. В закрытом
состоянии электроны вытесняются из канала при
понижении напряжения ниже порогового значения.
13
Усовершенствование традиционной
элементной базы
В основе транзистора корпорации Intel с тройным
затвором лежит новая трехмерная структура, похожая
на приподнятую горизонтальную плоскость с
вертикальными стенками. Эта структура позволяет
посылать электрические сигналы как по "крыше"
транзистора, так по обеим его "стенам". За счет этого
эффективно увеличивается площадь, доступная для
прохождения электрических сигналов, - это похоже на
расхождение однополосной дороги в широкое
трехполосное шоссе, только в случае с транзистором
не требуется дополнительного свободного места.
14
Усовершенствование традиционной
элементной базы
15
Скачать