Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Наноэлектроника Реферат «Терагерцовые транзисторы» Выполнил: студент группы Проверил: Ставрополь, 2020 г. Содержание Введение...................................................................................................................3 1. Терагерцовые технологии...................................................................................5 2. Терагерцовый полевой транзистор компании Intel..........................................8 3. Терагерцовые InP-транзисторы........................................................................12 4. Терагерцовый транзистор на основе графена.................................................20 Заключение.............................................................................................................24 Список использованной литературы...................................................................25 2 Введение Терагерцовые волны (ТГц-волны) или субмиллиметровые волны определяются как волны с частотами в диапазон от 300 ГГц до 3 ТГц, находящийся между миллиметровыми волнами (от 30 ГГц до 300 ГГц) и инфракрасным излучением. Эта часть спектра часто в прошлом упоминалась как "терагерцовая щель", учитывая, что долгое время она избегала интереса как исследователей электроники, так и фотоники. В некоторых контекстах полоса с низким ТГц также определяется как расположенная между 100 ГГц и 1 ТГц. Потенциал полосы THz велик. Полоса ТГц является отличной частью спектра для спектроскопии, поскольку различные материалы показывают различные спектры поглощения на частотах ТГц. Что касается органики, то многие макромолекулы, такие как белок и ДНК, имеют колебательные режимы в этой части спектра. В отличие от рентгеновских лучей, например, ТГц-фотоны не ионизируются и, следовательно, не являются опасен для живых тканей и ДНК, а количество излучения, оказываемого томографами, на несколько порядков ниже. В последние два десятилетия наблюдается резкий рост интереса к технологиям и приложениям в полосах с низким ТГц и ТГц было очевидно. Новая спектроскопия и зондирование ТГц области применения включают визуализацию, дистанционное зондирование, проверку безопасности и сохранности, мониторинг процессов, бесконтактное/неразрушающее тестирование материалов, биологический, медицинский и фармацевтический анализ, безметочное зондирование генетического материала, картирование и навигация внутри помещений, обнаружение целей, а также многие другие. Различные технологии и их комбинации могут быть развернуты в такие области применения, как исследование космоса, исследования погоды, военные и автомобильные приложения, исследования в области медицинской диагностики и безопасность. Кроме того, в развивающихся странах дистанционное микросенсирование может иметь преимущества в плане 3 устойчивости. Полоса ТГц также подходит для сверхбыстрой связи; однако в настоящее время телекоммуникационные исследования по-прежнему сосредоточены преимущественно на диапазоне миллиметровых волн, и, таким образом, нет непосредственной необходимости в использовании связи ТГц, и исследования в этой области все еще находятся в зачаточном состоянии. 4 1. Терагерцовые технологии В течение некоторого времени исследовался полностью электронный подход к обнаружению ТГц. Тем не менее, основным узким местом традиционно было отсутствие транзисторов, способных усиливаться в зазоре ТГц. С помощью недорогих комплементарных металлоксидных полупроводниковых (КМОП) и биполярных КМОП (BiCMOS) технологий, обычно имеющих транзисторы с переходной частотой (f T) и максимальной частотой колебаний (fmax) от 200 ГГц до 300 ГГц в прошлом, единственным способом расширить работу схем в приложениях ТГц было развертывание методов генерации гармоник. К счастью, ситуация в последнее время начала меняться. Индий-фосфидные (InP) транзисторы смогли достичь значения fmax более 1 ТГц уже около десятилетия, в то время как кремний-германиевые (SiGe) BiCMOS гетеродинные биполярные транзисторы (HBT) также пересекли отметку fmax = 0,5 ТГц примерно в то же время. В результате проекта DOTSEVEN, финансируемого Европейской комиссией, недавно была также преодолена отметка fmax = 0,7 ТГц. Во всех случаях увеличение частоты операций достигалось уменьшение размеров транзистора, подход, который может быть использован неоднократно до достижения физических пределов. Первопроходцы в области технологий разработали дорожные карты как для технологий на основе InP, так и для технологий на основе SiGe, описывающие шаги, которые следует предпринять для разработки технологий с транзисторами, которые обеспечивают работу вблизи физических пределов. В каждом случае прогнозируется, что fT может достигать 1 ТГц, а fmax может достигать или превосходить 2 ТГц. Это означает, что если рассматривать только транзисторы, то активные цепи уже могут достигать низких частот ТГц в настоящее время без какой-либо гармонической генерации, и они имеют отличный потенциал для расширения своих областей работы дальше до полного диапазона ТГц в будущем. Это графически проиллюстрировано на рис.1, где разрыв исследования ТГц, в 5 данном случае определяемый как перекрывающийся с частотами низкого ТГц (0,1-1 ТГц), показан относительно частотного спектра и возможности fmax доступных и прогнозируемых технологий. Рисунок 1 – Разрыв в исследованиях ТГц по отношению к нынешним и прогнозной способности транзисторных технологий, расчетное текущее состояние моделирования транзисторов и упаковки и сообщенные достигнутые частотные характеристики некоторых схем ТГц. Вторым узким местом в исследованиях ТГц, связанных с активными устройствами, является тот факт, что несмотря на то, что технологии изготовления транзисторов становятся более доступными, для того чтобы крупномасштабные исследования были осуществимыми, они должны дополняться точными и компактными моделями. Учитывая, что разработка модели требует сочетания теоретического анализа, экспериментов и характеристики схемы только после того, как процесс изготовления созрел, модели часто отстают от реальной технологии на несколько поколений. Третьим барьером является микроэлектронная, точнее, наноэлектронная упаковка, которая также должна догнать технологические 6 разработки, чтобы цепи ТГц можно было взять из контролируемых лабораторных сред в реальный мир. Даже самые современные схемы работают плохо, если они размещены в неоптимальный пакет. Текущее (оценочное) состояние моделирования устройств и упаковки наноэлектронных устройств также показано на рис.1. В-четвертых, такие соображения, как изготовление (и моделирование) пассивов и антенн, также должны быть приведены в соответствие с технологическими достижениями, если они не препятствуют перепроектированию ТГц-датчиков с ТГц-способными транзисторами. Наконец, аспекты затрат, связанные с производством активных и пассивных компонентов, а также законодательство, связанное с ТГц. 7 2. Терагерцовый полевой транзистор компании Intel К 30-летию создания первого в мире микропроцессора 4004 подлинную сенсацию вызвало сообщение о создании в корпорации Intel нового переключающего и поистине сверхминиатюрного транзистора, получившего название терагерцового транзистора (рис. 2). Приборы способны работать с фантастически высокими частотами переключения - более 1000 ГГц (или выше 1 ТГц). Рисунок 2 – Обычный и новый микротранзисторы структуры МДП. Уже в «старых» МДП-микротранзисторах специалистам Intel удалось создать слой диэлектрика толщиной всего 1,2 нм, или в 5 атомных слоев. Уменьшить толщину диэлектрика хотя бы еще на один атомный слой уже не удалось. Но в этом и не было необходимости - созданный сверхтонкий слой диэлектрика обладал большой утечкой, токи которой оказались сравнимы с рабочими токами транзистора. А это означает существенное увеличение потребляемой мощности у микросхем на полевых микротранзисторах. Это 8 стало особенно существенным при начавшемся переходе к технологии изготовления микросхем с разрешением 45 нм. В связи с этим (кстати, впервые в микроэлектронике) Intel была вынуждена провести длительные и дорогие исследования по замене двуокиси кремния Si02 в качестве диэлектрика другим материалом. Трудности были связаны с тем, что только двуокись кремния обеспечивала хорошую технологическую совместимость с кремнием. Тем не менее был найден новый материал на основе солей редкоземельного материала - гафния, и была разработана технология создания на его основе нового, так называемого High-K диэлектрика, имеющего повышенную диэлектрическую проницаемость. Это позволило несколько увеличить толщину подзатворного диэлектрика без потери управляющих свойств и уменьшить на порядок и более токи утечки. Пленка из диэлектрика создается методом атомарного напыления, причем материал наносится последовательными слоями толщиной всего в один атом. Это типичный прием реальных нанотехнологий, использующих принципы самоорганизации структур пленок очень малой толщины. Однако при создании нового диэлектрика оказалось, что он технологически не совместим с затвором из двуокиси кремния, да и с обычным металлическим затвором. Однако специалистам Intel удалось подобрать довольно сложный состав металлов для металлического затвора новых транзисторов, структура которых показана на рис. 2 справа. Этот прибор способен работать в тысячу раз быстрее, чем обычный полевой транзистор с изолированным затвором (рис. 2 слева). Технология изготовления нового затвора корпорацией Intel пока считается секретной. Стоит сказать несколько слов о новом для микроэлектроники материале - гафнии. Гафний — это редкоземельный элемент, имеющий 72-й номер в периодической системе элементов, обладающий серо-серебристым оттенком цвета, очень эластичный, устойчивый к коррозии, по химическим свойствам похожий на цирконий. 9 Ежегодно все страны мира, вместе взятые, добывают около 50 тонн этого вещества. Гафний не встречается в виде жил, как золото или некоторые другие металлы, а вырабатывается в качестве побочного продукта при добыче диоксида циркония (цирконий - металл, довольно широко распространенный на территории Австралии, Бразилии, Китая, России и США). Близость атомных структур гафния и циркония делает процесс разделения достаточно дорогостоящим. Около 60-70% полученного гафния идет на производство так называемых графитовых стержней, используемых для управления реакцией деления нуклидов в ядерных реакторах. Большая часть оставшегося гафния идет на изготовление сплавов, применяемых при производстве авиационных двигателей. Вопрос о недостатке гафния пока не вставал, причем его добычу при необходимости можно увеличить. Другим словами, опасаться, что гафния может не хватить, нечего. Учитывая, что полупроводниковая индустрия предполагает потребление небольшого объема данного материала, отраслевые эксперты не видят причин для возникновения конкуренции между потребителями гафния - по крайней мере, на ближайшую перспективу. Рисунок. 3 – Микрофотография реального терагерцового транзистора в разрезе. 10 Рисунок 3 демонстрирует реальную структуру терагерцового МДПмикротранзистора в разрезе. Новый прибор выполняется на так называемом напряженном кремнии. Тонкая пленка кремния механически растягивается, что ведет к увеличению расстояния между атомами. Пользуясь автомобильной терминологией, это эквивалентно увеличению ширины полос на автомобильных магистралях, что увеличивает их пропускную способность. В нашем случае напряженный кремний позволяет увеличить крутизну полевых транзисторов и их импульсные токи до 20% по сравнению с транзисторами, сделанными на обычном кремнии. Intel утверждает, что новый транзистор позволит создавать микропроцессоры с числом в тысячу раз большим, чем даже у Pentium IV, а в них даже в первых вариантах их число было больше 40 миллионов. Это значит, что оно в будущем может достигать под сорок миллиардов, да еще без увеличения потребляемой мощности. Корпорации Texas Instruments, IBM и Motorola также ведут исследования в области разработки материалов для новых полевых транзисторов. Но пока удача, судя по всему, улыбнулась Intel. Новые приборы уже выполняются по технологии с разрешением 45 нм. Однако уже в 2007 году корпорация Intel продемонстрировала микросхемы, изготовленные с разрешением в 32 мкм и содержащие уже второе поколение микротранзисторов с диэлектриком High К и металлическим затвором. Серийный выпуск микросхем запланирован на 2009 год. Это микросхемы памяти с числом транзисторов на кристалле 1,9 миллиарда. 11 3. Терагерцовые InP-транзисторы Разработка InP HBT и HEMT по проектам SWIFT и TFAST доказала возможность создания полупроводниковых приборов, работающих на частотах терагерцового диапазона. Фаза I программы SWIFT предусматривала разработку усилителей и приемников на частоту 340 ГГц. Твердо установленного генерации транзистора, правила определения необходимой для максимальной частоты обеспечения частоты разрабатываемой на его основе схемы, не существует. Поэтому практически ее значение выбирается в полтора–два раза выше рабочей частоты схемы. Таким образом, для микросхем, отвечающих требованию фазы I программы SWIFT, необходимы были транзисторы с предельной частотой генерации ~1 ТГц и выше. Первые такие InP HEMT были разработаны отделением аэрокосмических систем основной компании-исполнителя программы SWIFT – Northrop Grumman (Northrop Grumman Aerospace Systems, NGAS). На Международной конференции по электронным приборам 2007 года (IEDM 2007) специалисты NGAS сообщили о создании InGaAs/lnAIAs/lnP HEMT с двойной гетероструктурой и длиной затвора 35 нм, предельная частота генерации fmax которого превысила 1 ТГц. Предельная частота усиления по току ft была равна 385 ГГц, напряжение пробоя составило 2,5 В при токе затвора Ig = 0,25 мА/мм. Достижение компании Northrop Grumman было зарегистрировано в Книге (рекордов) Гиннесса. Создание транзистора с такими характеристиками стало возможным благодаря совершенствованию структуры и уменьшению паразитных сопротивления и емкости с учетом результатов измерения S-параметров. Приведенное значение fmax получено в результате экстраполяции значений частоты однонаправленного усиления, равной 1,2 ТГц, и предельной частоты стабильного усиления/максимального номинального усиления, равной 1,1 ТГц. 12 Для демонстрации возможностей созданных lnP HEMT на их основе была выполнена sMMIC трехкаскадного малошумящего усилителя с общим истоком. Коэффициент усиления микросхемы на частоте 300 ГГц превышал 18 дБ, на частоте 340 ГГц – 15 дБ. Наряду с терагерцовыми lnP HEMT успешно развивались и InP HBT. Работы в этом направлении в основном проводились по программе TFAST, цель которой состояла в разработке транзисторов с предельной частотой генерации 500 ГГц и создании на их основе sMMIC. При этом выход годных приборов должен составлять 50–60%. Основной исполнитель проекта – компания Teledyne Scientific & Imaging (TSI). Выбор HBT технологии основан на таких характеристиках HBT, как высокие значения пробивного напряжения и быстродействия, а также малые шумы, благодаря которым возможна реализация платформы, содержащей все элементы приемника и передатчика на одном кристалле. А это, в свою очередь, позволяет обойтись без волноводов для соединения блоков микросхемы и тем самым уменьшить размер корпуса и сократить потери в соединениях. К тому же создание малошумящих на терагерцовых частотах активных элементов приводит к повышению чувствительности приемника. Увеличения рабочей частоты HBT специалисты TSI добились в первую очередь за счет уменьшения размеров транзисторов. Сегодня эта задача казалась бы простой, если бы при этом не надо было обеспечить хорошее контактное сопротивление и малые паразитную емкость и токи утечки структуры. Для реализации микросхем цифровых устройств с рабочей частотой 150–480 ГГц и усилителей с частотой от 245 ГГц до 1 ТГц в компании была разработана дорожная карта развития InP HBT-технологии, определившая правила масштабирования транзисторов от 512 до 64 нм. Как следует из дорожной карты, самая сложная проблема – резкий рост плотности тока (или нагрева схемы) с уменьшением размеров элементов. Одно из решений этой проблемы, принятое компанией, – изменение ширины переходов HBT обратно пропорционально квадрату ширины полосы 13 пропускания транзистора. При приемлемых допущениях, касающихся изоляции прибора и толщины подложки, это решение смогли грубо преобразовать в закон масштабирования с сохранением теплового сопротивления прибора (приемлемого увеличения температуры перехода). Таким образом, было установлено, что выбор горизонтальных размеров элементов транзистора (ширины эмиттера) – важнейшее условие получения постоянной плотности тока и контроля теплового сопротивления, необходимых для решения задач программы TFAST. В соответствии с дорожной картой компанией создан двойной биполярный гетеротранзистор (DHBT) третьего поколения с эмиттером шириной 256 нм. Согласно данным измерения S-параметров негерметизированного прибора, его предельная частота усиления составляла 378 ГГц, предельная частота генерации – 808 ГГц, напряжение пробоя BVCE0 – 4 В. Размеры эмиттера — 0,25×4 мкм. Потребляемая мощность – 105 мВт при напряжении смещения -4,4 В. Возможность изготовления терагерцовых приемников и передатчиков на основе разработанных DHBT была подтверждена на примере относительно простых микросхем: • малошумящего усилителя с коэффициентом усиления 9 дБ в диапазоне 280–300 ГГц и оценочным коэффициентом шума 11,3 дБ; • усилителя задающего генератора с оценочным коэффициентом усиления 7 дБ на 300 ГГц; • генераторов фиксированной частоты на 300, 320 и 350 ГГц с выходной мощностью 312, 205 и 120 мкВт, соответственно, при КПД 6,1%; • ГУН на частоту 300–500 ГГц с диапазоном перестройки частоты 10%; • делителей частоты, работающих в полосе 270– 370 ГГц при входной РЧ-мощности 0 дБм; • балансный смеситель с накачкой на субгармонике с понижением частоты для спектрометров. При оптимальном смещении измеренная 14 выходная мощность смесителя составляла -6,2, -5,6 и -19,2 дБм на частоте 310,2; 412,9 и 573,1 ГГц, соответственно, при PDC ≤ 115 мВт. Как видно, созданные микросхемы на частоту более 300 ГГц содержат как обычные (малошумящий СВЧ и компоненты мощный с распределенными усилители), так и параметрами аналоговые блоки (одночастотный генератор, ГУН, делитель частоты). При этом для объединения аналоговых блоков с сосредоточенными параметрами нужны межсодинения с малыми паразитными параметрами и временем задержки, тогда как для усилителей – микрополосковые линии передачи сигнала. Эти задачи были решены с помощью трехуровневой металлизации, два нижних слоя которой служат для формирования межсоединений аналоговых блоков (рис.4). Эти два уровня металлизации разделены слоем бензоциклобутена (BCB) толщиной 1 мкм. Третий уровень металлизации, отделенный от двух нижних слоем BCB толщиной 10 мкм, предназначен для формирования линий передачи сигналов блоков с распределенными параметрами. Применение BCB (диэлектрика с низкой диэлектрической проницаемостью) в качестве основы микрополосковых линий позволило изолировать РЧсигналы от подложки микросхемы и тем самым увеличить ее толщину и, следовательно, повысить робастность схемы. Для упрощения монтажа прибора, что особенно важно при сборке микросхемы в волноводный корпус, с обратной стороны подложки были созданы сквозные отверстия (TSV). 15 Рисунок 4 – Трехслойная металлизация, используемая для формирования межсоединений ТГц-микросхемы на InP HBT. Успехи, достигнутые в ходе проведения программ SWIFT (фазы I) и TFAST, стимулировали открытие в апреле 2011 года новой амбициозной программы DARPA – Terahertz Electronics (терагерцовая электроника (табл.1). Программа, на которую планируется затратить за 2010–2012 финансовые годы ~50 млн. долл., предусматривает разработку и демонстрацию материалов и технологии производства транзисторов и микросхем приемников и задающих генераторов терагерцовых частот, а также малогабаритных эффективных модулей мощных усилителей с масштабированными вакуумными приборами. 16 Таблица 1 – Задачи программы Terahertz Electronics К настоящему времени DARPA заключила три контракта по программе Terahertz Electronics с отделениями компании Northrop Grumman на разработку: • приемников и передатчиков военных и космических спутниковых 670-ГГц систем, предназначенных в первую очередь для передачи изображений высокого качества. Исполнитель – NGAS. Сумма контракта – 37,3 млн. долл.; • технологии создания малогабаритных модулей мощных ТГцусилителей, содержащих твердотельной разработки схемой метрологии антенну, задающего которую генератора. ТГц-устройств. можно объединить Поставлена Исполнитель – и с задача отделение электронных систем (Electronic Systems). Сумма – 8,9 млн. долл.; • приборов и технологии создания малогабаритных электронных приборов на частоту 1,03 ТГц. Исполнитель – отделение космических и 17 ракетных систем (Space & Mission Systems). Сумма – 12,5 млн. долл. Завершение работ по этому контракту – 16 апреля 2014 года. Кроме того, два контракта заключены с компаниями: • Teledyne Scientific & Imaging на создание микросхем приемопередающих устройств, в частности приемников и задающих генераторов на частоту несущей 670, 850 и 1030 ГГц (18,8 млн. долл.); • SAIC (Science Applications International Corp.) на разработку и демонстрацию технологии мощных усилителей терагерцовых сигналов и создание модулей мощных усилителей, содержащих антенну, которую можно объединить с твердотельной схемой задающего генератора (11,6 млн. долл.). По программе Terahertz Electronics в 2010 финансовом году должны были появиться приборы и схемы на частоту ~0,67 ТГц, в 2011 – электронные схемы с высокими характеристиками, работающие на частоте 0,85 ТГц и в 2012 – схемы на частоту 1,03 ТГц. В докладе, представленном на конференции CS ManTech 2011 специалистами DARPA, дан обзор проводимых по программе Terahertz Electronics НИОКР в области транзисторов, микросхем и мощных усилителей, удовлетворяющих требованиям предложенной ранее структуры трансивера. Первыми поставленную на 2010 год задачу вновь решили специалисты NGAS, которые в июне сообщили о разработке микросхемы усилителя на частоту 670 ГГц c выходной мощностью 14 дБм. Усилитель выполнен на InP HEMT с Т-образным затвором длиной около 30 нм. По утверждению руководителя программ отделения микросистемной технологии DARPA Д. Альбректа, InP HEMT-технология успешно развивается по пути уменьшения длины затвора до 20 нм и создания транзисторов с fT > 1,2 ТГц и fmax > 2,25 ТГц. При этом емкость Cgs будет составлять 0,4 пФ/мм, а сопротивление Rsource – менее 0,1 Ом∙мм. Значение 18 крутизны таких HEMT оценивается в 3500 мС/мм против 2300 мС/мм для ранее созданных транзисторов с длиной затвора 35 нм. Успешно решает задачи программы Terahertz Electronics и второй крупнейший ее исполнитель – компания Teledyne, работающая совместно с калифорнийскими университетами в СантаБарбаре и Сан-Диего, Лабораторией реактивного движения NASA и компанией Raytheon. Teledyne сосредоточила усилия на создании HBT с шириной эмиттера 128 нм. По утверждению директора-распорядителя отделения электроники компании Б. Брара, специалисты отделения "близки" к созданию транзистора на частоту 670 ГГц. Для облегчения дальнейшего масштабирования изучается возможность "перевода" структуры транзистора на подложки из нитрида алюминия, характеризующиеся высокой теплопроводностью. Разрабатываемая компанией InP HBTтехнология позволит создать большой класс РЧ-устройств и систем смешанной обработки сигнала для оборудования Министерства обороны. Исследования InP HBT-технологии активно ведут специалисты Университета штата Иллинойс. На конференции CS ManTech 2011 они сообщили о создании InP/GaAsSb DHBT с размером эмиттера 0,3∙10-8 мм2, предельной частотой усиления по току fT 680 ГГц и предельной частотой генерации fmax 175 ГГц при комнатной температуре. При температуре -37°С значения этих частот составили 745 и 205 ГГц, соответственно. Напряжение транзистора BVCEO равно 3 В при токе 1 кА/мм2. В структуре транзистора база с плавным изменением удельного сопротивления выращивалась методом молекулярно-лучевой эпитаксии при оптимизированных условиях роста, способствующих более высокой концентрации примеси углерода и улучшению качества границы раздела, база-эмиттер. Паразитные параметры транзистора уменьшены благодаря самосовмещенному меза-травлению области база-коллектор. 19 4. Терагерцовый транзистор на основе графена Графен в силу высокой подвижности носителей, большой их скорости ‒ порядка 106 м/с около точек Дирака, хорошей теплопроводности, двумерности структуры перспективным и материалом высокой для прочности наноэлектроники, является весьма особенно для терагерцевых транзисторов. Но в силу отсутствия энергетической щели у листа графена и весьма малой щели (порядка 0.1‒0.2 эВ) в нанолентах графена, включая двуслойные ленты (щель растет с уменьшением ширины), а также из-за увеличения щели на такие же порядки при воздействии внешних полей, в наноэлектронике возникли проблемы при создании быстродействующих нанотранзисторов на графене, особенно для широких лент порядка 20 нм и более. Поскольку в транзисторах конструктивно используют только наноленты, модуляция их проводимости может быть весьма высокой. Для цифровой техники необходимы транзисторы с низким током закрытого состояния (высоким отношением токов открытого и закрытого состояний). Однако для целей обработки, усиления и генерации сигналов — это не принципиально. Поэтому рассматривались возможности создания как быстро переключаемых транзисторов, так и транзисторов для усиления аналоговых сигналов. В последнее время были предложены туннельные транзисторы на основе графена, а также транзисторы на графене с отрицательным сопротивлением. Рассмотрены и генераторы на графене с накачкой. Для целей усиления и генерации желательно иметь устройства с током (нелинейным импедансом), управляемым напряжением, имеющие малое время пролета носителей и по возможности малый управляющий ток по сравнению с управляемым током. При этом его входной импеданс должен быть существенно больше выходного, а оба импеданса существенно превышать импеданс внешней цепи (при использовании в ней линий передачи их волновые сопротивления обычно порядка 50‒100 Ом). Сопротивление квантовой нити не может быть меньше кванта сопротивления 20 h/e2 25813 Ом, что обеспечивает указанные соотношения. Для терагерцевой наноэлектроники перспективны планарные устройства с баллистическим или смешанным режимами работы, что требует использования нанолент (полосок) с двумерным электронным газом (ДЭГ). Такая структура есть одномерная квантовая нить, поскольку длина свободного пробега (ДСП) в графене при комнатной температуре порядка мкм, т.е. обычно существенно больше ширины ленты. Рассмотрение устройства (диода) с двумя электродами, соединенными нанолентой, а также устройства с тремя электродами (транзистора), соединенных двумя или тремя нанолентами (рис. 5), и является целью работы. Потенциал промежуточного электрода (затвора) может изменяться подачей управляющего сигнала, при этом вместо графеновой наноленты можно использовать металлическую квантовую нить (см. рис. 5) и, наоборот, – квантовые нити вместо графеновых полосок. Рисунок 5 – Схематическое изображение графенового нанотранзистора с металлическими электродами истока 1, затвора 3, стока 5, входа 6 и двух графеновых нанолент 2 и 4 на подложке. Затвор и входной электрод соединены нанопроволочным каналом длины L3,6 Свойства ДЭГ в металлических пленках возникают при толщинах t порядка десятков нанометров (меньше ДСП), при этом и ширины имеют такой же порядок, т.е. w ~ t. Поэтому структура представляет собой 21 квантовую нить с квантованием по двум поперечным размерам. Поскольку при комнатной температуре для металлов λ ~ 30–100 нм, следует использовать размеры порядка от нескольких единиц до нескольких десятков нанометров. Хотя при w = t > 18 нм проводимость медной проволоки превышает проводимость слоистой структуры из нескольких графеновых листов и слоев SiO2 с теми же размерами, использовать размеры более 100 нм не выгодно. В случае наноразмерных структур для квантовой проволоки следует использовать размерные квантования для определения числа состояний носителей заряда и числа M мод проводимости. Поверхностная проводимость для листа графена в рамках модели Ландауэра‒Датты‒Лундстрома (ЛДЛ) имеет вид где ns ‒ поверхностная плотность носителей, h ‒ постоянная Планка, ~ 2 мкм. Для графеновой ленты ширины w число мод и проводимость пропорциональны ширине w, здесь L – длина ленты. На самом деле число мод проводимости квантуется в зависимости от ширины (что особенно существенно при малой w порядка нанометров), т.е. M ‒ ступенчатая функция ширины (а не линейная). Однако и сама ширина для конфигураций armchair и zigzag квантуется, а проводимость зависит и от конфигурации, что требует решения задач квантовой механики. В данной статье эти аспекты не 22 рассматриваются. Для плотности носителей и динамической (зависящей от частоты) проводимости s получены выражения в ряде работ, причем использовано приближение модели Кубо, кинетическое (транспортное) уравнение Больцмана в приближениях Бхатнагара‒Гросса‒Крука. 23 времени релаксации и Заключение Усилия разработчиков терагерцовой полупроводниковой технологии сегодня направлены не на разработку единичного прибора с рекордными параметрами, а на создание устройств, пригодных для массового производства. И результаты их работ уже находят применение. Компания Northrop Grummen продемонстрировала возможность изготовления с хорошим выходом годных микросхем, содержащих 25–30 транзисторных ячеек с гребенчатым затвором длиной 35 нм. Таким образом, не только улучшены характеристики высокочастотных устройств, но и созданы условия для совершенствования более низкочастотных систем. Учитывая, что технологии компаунд-материала III-V ведут к применению более 1 ТГц, за которыми следует менее дорогая технология SiGe BiCMOS, а также многочисленные показанные схемы осцилляторов и усилителей в ряде технологий, представляется, что перспективы на будущее являются хорошими. Однако ситуация не так проста. Наличие технологий не является единственным необходимым условием, когда речь идет о коммерциализации. Коммерциализация требует стабильных эмпирических моделей для концептуальной схемы конструкции, а также имитационные модели для быстрого проектирования на конкретных технологических узлах. Кроме того, исследователи технологий также стремятся сосредоточиться на разработке моделей только для активных устройств, при этом меньше внимания уделяется пассивным компонентам и упаковке несмотря на то, что они также являются определяющими факторами для коммерциализации потенциальных продуктов. Наконец, могут быть и другие коммерческие факторы, препятствующие широкому внедрению реконструированных датчиков ТГц, включая затраты и распределение спектра, и законодательные проблемы. Все это говорит о "зрелости" терагерцовой технологии и о том, что деньги на эти программы потрачены не зря, что особенно важно в современной сложной экономической ситуации. 24 Список использованной литературы 1. Field Effect Transistors for Terahertz Detection: Physics and First Imaging Applications – W. Knap, M. Dyakonov, D. Coquillat, F. Teppe, N. Dyakonova; 2. Терагерцовый транзистор на основе графена – Давидович, О. Е. Глухова, М. М. Слепченков; 3. Emerging Transistor Technologies Capable of Terahertz Amplification: A Way to Re-Engineer Terahertz Radar Sensors – Mladen Božanic and Saurabh Sinha; 4. Электронные измерения в нанотехнологиях и микроэлектронике – Афонский А.А. 5. Современные радиоэлектронные системы – В. М. Исаев, И. Н. Кабанов, В. В. Комаров, В. П. Мещнов. 25
