МИКРОМИНИАТЮРИЗАЦИЯ И ПРИБОРЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

Для классических компьютеров исключительно важной является проблема уменьшения
рассеиваемой энергии в процессе вычислительных операций.
МДП-полевые транзисторы с изолированным затвором не расходуют входную мощность при управлении током во вторичной цепи. В этом их принципиальное отличие от
биполярных транзисторов и основное преимущество для повышения степени упаковки
и интеграции при конструировании сверхбольших интегральных схем (СБИС).
Кроме этого, оказывается, что, используя пару комплементарных (дополняющих)
p- и n-канальных МДП-транзисторов, можно практически свести к нулю и рассеиваемую выходную мощность. Действительно, для последовательно соединенных КМОПтранзисторов при подаче напряжения в активном режиме один из них всегда открыт,
а другой — закрыт. Поэтому ток в выходной цепи в статическом режиме не протекает,
а мощность выделяется только при переключениях транзисторов из одного состояния
в другое.
Полевые приборы со структурой металл – диэлектрик – полупроводник в силу универсальности характеристик нашли широкое применение в интегральных схемах
(ИС). Одна из основных задач микроэлектроники заключается в повышении степени
интеграции и быстродействия интегральных схем. Для ИС на МДП-приборах благодаря чрезвычайно гибкой технологии их изготовления эта задача решается несколькими путями. В основе одного из подходов лежит принцип двойной диффузии. Эта
технология получила название КМОП-технологии, когда структура имеет планарный
характер, и V-МОП-технологии, когда структура транзистора имеет вертикальный
характер. Другой подход связан с пропорциональной микроминиатюризацией обычного планарного МДП-транзистора и получил название высококачественной, или
H-МОП-технологии.
Согласно основным положениям модели пропорциональной микроминиатюризации, при уменьшении длины канала в N раз для сохранения тех же характеристик
транзистора другие его параметры (толщина окисла, ширина канала, напряжение
питания) необходимо уменьшить в N раз, а концентрацию легирующей примеси в
подложке увеличить в N раз.
Длина канала
 1999г -100 нм
 2015г -10 нм
 2018г -7 нм
Плотность размещения
 5.108 – 109 1/см2
Размер кристалла
 10 – 20 см2
Плотности рассеиваемой
мощности
 50-100 Вт/см2
Рабочие частоты
 10 – 40 ГГц
На рисунке показана в полулогарифмическом масштабе эволюция размеров
МДП-транзистора и длины его канала. Обращает внимание на себя тот факт, что
принципы пропорциональной микроминиатюризации позволили вплотную
придвинуться к размерам базового элемента интегральных схем, ниже которых
находится
предел, обусловленный физическими ограничениями .
Опыт разработки МДП-транзисторов с длинами канала 0,25—0,1 мкм показывает, что в таких приборах резко нарастает количество новых физических
явлений,
Анализ показывает, что наряду с тенденцией уменьшения
геометрических размеров каждого элемента в схемах
проявляется тенденция к увеличению числа элементов в
схеме. Если в начале 1960-х годов число элементов в схеме
составляло десятки, то в начале 2000-х годов число
элементов в схеме составляет сотни миллионов. Обращает
на себя внимание тот факт, что в настоящее время плотность
упаковки приближается к пределу, обусловленному
физическими ограничениями. Проблемы, связанные с
физическими ограничениями
микроминиатюризации,требуют рассмотрения основных
физических явлений, которые запрещают дальнейшее
уменьшение линейных геометрических размеров
транзисторов, напряжений и токов транзистора,
ограничивают его быстродействие и плотность упаковки.
Минимальная длина канала L, определяемая физическими
ограничениями, в зависимости от напряжения питания,
толщины окисла и уровня легирования
Зависимость напряжения пробоя p-n+ перехода стока от
концентрации легирующей примеси в подложке NA
 Проблема создания промышленной литографии на основе





оптических степперов-сканеров, обеспечивающих
воспроизводимость столь малых размеров на больших кристаллах.
Проблема создания сверхтонкого подзатворного диэлектрика.
Проблема реализации сверхмелкозалегающих р-п переходов стока
и истока.
Проблема выбора материала затвора, так как легированный
поликремний может не удовлетворять требованиям к его
проводимости.
Проблемой становится силидизация контактов малой площади.
Проблему создания процессов и оборудования для
плазмохимического травления диэлектрика, исключающего
повреждение подзатворного диэлектрика.
 Конструкции
двухзатворного (вверху)
нанотранзистора и
нанотранзистора в
тонком кремнии на
изоляторе (внизу).
(КНИ)
 Для толстых слоев кремния на диэлектрике
порядка 100нм необходимо легировать
канал для подавления тока транзистора в
закрытом состоянии. Это так называемые
необедненные (non-depleted) КНИ
транзисторы. Для меньшей толщины слоя
кремния и короткого канала транзистора
можно слабее легировать слой кремния в
канале. Это частично обедненные (partially
depleted) КНИ транзисторы. Для тонких
слоев кремния (5-10нм) канал транзистора
можно совсем не легировать. Полностью
обедненный (fully depleted) КНИ
транзистор является наиболее
перспективным, поскольку он наилучшим
образом выявляет возможности КНИ
подложки.
 teff = [(Si/ox) tox + tdSi , где tdSi - толщина
области обеднения в слое кремния,
обусловленная поперечным квантованием.
В предыдущем разделе отмечалось, что существующие физические ограничения
на микроминиатюризацию полевых и биполярных приборов с использованием
p-n-переходов являются серьезным препятствием на пути развития традиционной
микроэлектроники и, как следствие, вычислительной техники, базирующейся на
принципах булевой алгебры. Современная технология на базе оптической, электронной и рентгеновской литографии, сфокусированных ионных пучков позволяет
получать структуры с планарными размерами менее 100 нм, а методы молекулярной
эпитаксии обеспечивают уверенный контроль по составу и толщине слоев в 1—10 нм.
Переход к другой элементной базе дает возможность продвижения в область малых
горизонтальных размеров, вплоть до структур, построенных из отдельных атомов
или молекул на основе методов нанотехнологии с использованием сканирующего
туннельного микроскопа (СТМ) совместно с методами химического синтеза и молекулярной биологии.
Эти методы позволили приступить к реализации устройств наноэлектроники и
молекулярной электроники, таких как квантовые точки, квантовые нити, одноэлектронные транзисторы. В то же время компьютеры при этом продолжают оставаться
классическими, несмотря на то что построены на принципиальных квантовых устройствах. Для классических
компьютеров исключительно важной является проблема
уменьшения рассеиваемой энергии в процессе вычислительных операций.
Для квантовых компьютеров используется принцип построения на логически и
термодинамически обратимых вентилях. При этом энергия будет рассеиваться только
при вводе и выводе информации на периферийных устройствах.
Базисом для квантовых вычислений являются
двухуровневые квантовые элементы, получившие
название кубитов (quantum bits). Поскольку
законы квантовой физики на микроскопическом
уровне являются линейными и обратимыми, то и
соответствующие квантовые логические устройства
оказываются также логически и термодинамически
обратимыми.Схема квантового обратимого
компьютера, состоящего из элементов с двумя
состояниями в качестве «вычислительного» базиса
была предложена Фейнманом.В настоящее время идет
активный поиск элементной базы для физических
устройств,которые могут играть роль кубитов.Одним
из перспективных вариантов являются
полупроводниковые квантовые компьютеры на основе
ядерного магнитного резонанса (ЯМР) с
индивидуальным обращением к кубитам.
На рисунке приведена схема двух ячеек полупроводниковой
структуры, использующей изменение индивидуальных состояний ядерных
спинов
донорных атомов фосфора 31P, расположенных друг относительно друга на
расстояниях порядка 20 нм. Электронные состояния фосфора 31P имеют
сравнительно большое значение эффективного боровского радиуса, который и
задает нанометровый масштаб расстояний в системе спинов-кубитов в
полупроводниковой структуре.Для формирования таких структур можно
пользоваться приемами современной
нанотехнологии.
Измерение индивидуальных состояний ядерных спинов донорных атомов фосфора 31P является одной из наиболее важных проблем в полупроводниковых
ЯМРквантовых компьютерах. Предполагается, что с помощью импульсов
радиочастотного
поля осуществляется передача информации от ядерной спиновой подсистемы к
электронной подсистеме. При этом задача определения состояния ядерного
спина
сводится к определению состояния электронного спина.
Определение состояния электронного спина базируется на анализе связи
электрона с нейтральным и ионизованным донором. Если энергия связи
электрона с нейтральным донором больше, чем энергия притяжения к соседнему
ионизированному донору (D+состояние), то электрону будет энергетически
выгоднее находиться вблизи нейтрального донора (D –-состояние).
Следовательно, оба электрона в синглетном состоянии будут находиться в
окрестности одного из доноров. В результате произойдет перенос заряда с
одного донора на другой, что предлагалось измерять с помощью
высокочувствительных одноэлектронных емкостных методов. Наиболее
подходящими устройствами для этого являются одноэлектронные
транзисторы.
На рисунке приведена схема высокочувствительного электрометра на базе
одноэлектронного транзистора и его зонная диаграмма. Такое устройство
способно определить, в каком — синглетном или триплетном — состоянии,
находятся два электрона.На рисунке эти два электрона изображены под
центральной квантовой точкой одноэлектронного транзистора. В
отсутствие напряжения оба электрона локализованы вблизи донора 31P.
Значение напряжения, при котором происходит переход одного из
электронов к поверхности, зависит от того, в триплетном или синглетном
состоянии они находились вблизи донора 31P.
Другим перспективным вариантом считаются
полупроводниковые квантовые компьютеры на
квантовых точках. Квантовая точка является в
определенном смысле аналогом атома и может
иметь поляризацию, обусловленную
дополнительным электроном. Ячейка из пяти
квантовых точек способна реализовать квантовый
бит и обеспечить беспроводное взаимодействие с
соседней ячейкой, не сопровождающееся
диссипацией энергии. На основе обратимых
пятиточечных ячеек могут быть построены любые
логические элементы на основе булевой
логики.Квантовые точки, находясь в подзатворном
диэлектрике МДП-транзисторов,способны влиять
на ток канала транзистора.
На рисунке приведена схема МДПтранзистора с кубитами из квантовых точек в подзатворном диэлектрике [13].
Ток в канале транзистора ID будет различаться в зависимости от положения кубитов, на которых происходит изменение распределения заряда. Анализ изменения
этого тока позволяет определить зарядовое состояние кубитов.
Возможно использование оптических методов управления состояниями кубитов
на квантовых точках разных размеров и разного состава компонентов в гетероструктуре GaAs / AlxGa1–xAs. В этом случае кубит базируется на основном и возбужденном
одноэлектронном состоянии каждой квантовой точки.
До настоящего времени квантовые компьютеры и их элементная база существуют лишь в виде теоретических конструкций. К числу наиболее перспективных для
приборной реализации в обозримом будущем относят квантовые компьютеры на
квантовых точках с электронными орбитальными и спиновыми состояниями, и они
считаются реальными элементами для создания квантовых суперкомпьютеров.
 двухмерные системы – тонкие (нанометровые)
проводящие слои, в том числе, с двухмерным
электронным газом на интерфейсах в
гетероструктурах или в дельта-легированных
областях, инверсный слой в МДП-структуре,
 одномерные системы – нанопровода,
линейные молекулы, например, нанотрубки,
 нульмерные системы – квантовые точки
(искусственные атомы), наночастицы,
многоатомные кластеры, отдельные молекулы
и атомы.
 гетеропереходные транзисторы
 гетероструктурные тунельно-резонансные





транзисторы и диоды
инжекционные полупроводниковые лазеры на
трехмерном массиве квантовых точек
одноэлектронные транзисторы
транзисторы на молекулярных квантовых
проводах (углеродных нанотрубках)
спин-инжекционные транзисторы
квантово-интерференционные транзисторы на
эффекте Ааронова-Бома.