квантовый компьютер

Микроминиатюризация и
приборы наноэлектроники..
Гудкина А.А.
Льдинина О.С.
Голованова А.С.
21302
Микроминиатюризация МДП – приборов
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 К-МОП технологии, когда
структура имеет планарный характер, и V-МОП технологии,
когда структура транзистора имеет вертикальный характер.
Другой
подход
связан
с
пропорциональной
микроминиатюризацией
обычного
планарного
МДПтранзистора и получил название высококачественной, или
Н-МОП, технологии.
МДП - структура
Эволюция базовых элементов кремниевых
интегральных схем
Эволюция размеров и микроминиатюризация параметров
МДП-приборов
Параметр прибора
n-МОП с
обогащенной
нагрузкой
1972
n-МОП с
обедненной
нагрузкой
1976
Высококачественный
МОП
1979
МОП
Коэффициент
изменения
1980
Длина канала L, мкм
6
6
3,5
2
N-1
Поперечная диффузия LD, мкм
1,4
1,4
0,6
0,4
N-1
Глубина p-n переходов x, мкм
2,0
2,0
0,8
0,8
N-1
Толщина затворного окисла dox,
мкм
0,12
0,12
0,07
0,04
N-1
Напряжение питания Vпит, В
4-15
4-8
3-7
2-4
N-1
Минимальная задержка вентиля 12-15
τ, нс
4
1
0,5
N-1
Мощность на вентиль P, мВт
1,5
1
1
0,4
N-2
Произведение быстродействия
на мощность, пДж
18
4
1
0,2
N-3
Микроминиатюризация процессоров Intel
Модель
Год выпуска
Транзисторы
Тех.процесс
Тактовая частота
4004
1971
2 250
10 мкм
108 kHz
8008
1972
2 500
10 мкм
200 kHz
8080
1974
5 000
6 мкм
2 MHz
8086
1978
29 000
3 мкм
5-10 MHz
286
1982
120 000
1,5 мкм
6-12,5 MHz
386
1985
275 000
1,5-1 мкм
16-33 MHz
486DX
1989
1 180 000
1-0,6 мкм
25-100 MHz
Pentium
1993
3 100 000
0,8-0,35 мкм
60-200 MHz
Pentium II
1997
7 500 000
0,35-0,25 мкм
233-450 MHz
Pentium III
1999
24 000 000
0,25-0,13 мкм
450-1300 MHz
Pentium 4
2000
42 000 000
0,18-0,13 мкм
>1400 MHz
Динамическое уменьшение размеров транзистора
при пропорциональной микроминиатюризации
10
Длина
канала,
мкм
1
0,1
0,01
1970
1980
1990
2000
2010
2020
Уменьшение длины канала
Год
Тех.процесс
Длина затвора
1993
0,50
0,50
1995
0,35
0,35
1997
0,25
0,20
1999
0,18
0,13
2001
0,13
0,07
2003
0,10
0,05
2005
0,07
0,03
Микроминиатюризация процессоров Intel
Физические явления,
ограничивающие миниатюризацию


С тенденцией уменьшения геометрических
размеров каждого элемента в схемах
проявляется тенденция к увеличению числа
элементов в схеме.
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.
Физические ограничения
микроминиатюризации

Предельно допустмые значения параметров и
основные физические ограничения
Параметр
Физическое ограничение
Минимальная величина одного
элемента, 0,03 нм
Статистические флуктуации легирования подложки,
разрешение фоторезиста, космические лучи и
радиоактивность, конечная ширина p-n перехода
Толщина подзатворного
диэлектрика, 2,3 нм
Туннельные токи через диэлектрик
Минимальное напряжение
питания 0,025 В
Тепловой потенциал kT/q
Минимальная плотность тока,
10-6 А/см2
Дискретность заряда электрона, флуктуации
встроенного заряда
Минимальная мощность, 10-12
Вт/элемент при f=1 кГц
Шумы, тепловая энергия, диэлектрическая
постоянная
Предельное быстродействие,
0,03 нс
Скорость света
Параметр
Физическое ограничение
Максимальное напряжение
питания
Пробой подзатворного диэлектрика, смыкания
областей истока и стока
Максимальное легирование
подложки
Туннельный пробой p-n перехода стока
Максимальная плотность тока
Электромиграция, падения напряжения на
паразитных сопротивлениях контактов
Максимальная мощность
Теплопроводность подложки и компонентов
схемы
Количество элементов на
кристалл, 109
Совокупность всех ранее перечисленных
ограничений
Физические ограничения
микроминиатюризации


Минимальную длину канала ограничивает эффект,
связанный со смыканием областей истока и стока
при приложении напряжения к стоку VDS.
Поскольку ширина lоб p-n перехода, смещенного в
обратном направлении, равна
то минимальная длина канала должна быть
больше удвоенной ширины p-n перехода Lmin >
2lоб и быть прямо пропорциональна корню
квадратному от напряжения питания и обратно
пропорциональна корню квадратному от уровня
легирования подложки.
Минимальная длина канала L, определяемая
физическими ограничениями в зависимости от
напряжения питания, толщины окисла и уровня
легирования.

На рисунке приведена зависимость
Lmin от концентрации легирующей
примеси NA, толщины окисла dox и
напряжения питания Vпит. Отсюда
видно, что при толщине окисла dox =
100 A и концентрации акцепторов NA =
1017 см-3 возможно создание МОПтранзистора с длиной канала L = 0,4
мкм при напряжении питания 1-2 В.
Дальнейшее увеличение легирующей
концентрации в подложке может
привести к туннельному пробою p+-n+
перехода.
Зависимость напряжения пробоя p-n+ перехода
стока от концентрации легирующей примеси в
подложке NA

Минимальную толщину подзатворного
диэлектрика ограничивает сквозной ток
через диэлектрик затвора. Считая ток
туннельным и используя для тока
выражение Фаулера - Нордгейма для
туннелирования через треугольный
потенциальный барьер, получаем, что для
толщины dox > 50 A плотность тока
пренебрежимо мала. Предельное
быстродействие определяется временем
пролета носителей через канал при длине
канала L = 1 мкм, скорости дрейфа,
равной скорости света, и составляет τ =
0,03 нс. Очевидно, что минимальное
напряжение питания не может быть менее
kT/q из-за флуктуаций тепловой энергии.
Квантовый компьютер: основные
направления
•
•
•
•
•
Использование для модельной реализации квантовых компьютеров в
качестве кубитов уровней энергии ионов, захваченных ионными
ловушками, создаваемыми в вакууме определенной конфигурацией
электрического поля в условиях лазерного охлаждения их до
микрокельвиновых температур.
Использование в качестве кубитов атомов с ядерными спинами с
I = 1/2, принадлежащих молекулам органических жидкостей с
косвенным скалярным взаимодействием между ними и методов
ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для управления кубитами.
Использование в качестве кубитов зарядовых состояний куперовских
пар в квантовых точках, связанных переходами Джозефсона,
предложенное Д.В.Авериным в 1998 году
твердотельные ЯМР квантовые компьютеры
использование в качестве состояний кубитов двух спиновых или двух
зарядовых
электронных
состояний
в
полупроводниковых
наноструктурах, в частности в квантовых точках, формируемых в
гетероструктурах типа AlGaAs/GaAs
Полупроводниковые квантовые компьютеры
на основе ядерного магнитного резонанса
1998г австралийский физик Б.Кейн: использование в качестве кубитов
обладающие ядерным спином 1/2 донорные атомы с изотопами 31P, которые
имплантируются в кремниевую структуру
Схематическое изображение двух ячеек
полупроводниковой структуры модели Кейна,
lA ~ 10 нм, l ~ 20 нм, c ~ 20 нм.
Измерение переноса заряда с одного донора на другой происходит с помощью
высокочувствительных одноэлектронных методов. Наиболее подходящее
устройство – одноэлектронный транзистор.
В отсутствие напряжения электроны локализованы
вблизи донора.
Значение напряжения, при котором происходит
переход одного из электронов к поверхности,
зависит от того, в каком состоянии они находились
вблизи донора.
Полупроводниковые квантовые компьютеры
на квантовых точках
Квантовая точка – изолированный нанообъект, фрагмент проводника или
полупроводника, ограниченный по всем трём пространственным
измерениям и содержащий электроны проводимости. Является аналогом
атома и может иметь поляризацию.
Японский
ученый
T.Tanamoto из Toshiba Corp.
предложил
разместить
квантовый компьютер из
сдвоенных квантовых точек
в
подзатворном
диэлектрическом слое SiO2,
расположенном
над
проводящим
каналом
кремниевого
полевого
транзистора (MOSFET)
Первый квантовый компьютер
Февраль 2007г. Канадская компания D-Wave
заявила
о
создании
образца
квантового
компьютера, состоящего из 16 кубит (устройство
получило название Orion)
Ноябрь 2009г. Физикам из Национального
института стандартов и технологий в США
удалось собрать простейший программируемый
квантовый компьютер. Машина ученых работает
с двумя кубитами. Ученые заставляли кубиты
работать, используя лазерные импульсы в
ультрафиолетовом диапазоне.
Квантовый процессор D-Wave зафиксирован в
нижней части блока фильтрации и заморозки;
вся структура погружается в жидкий гелий,
охлаждённый
до
3
кельвинов,
а затем блок охлаждения снижает температуру
чипа до 10 милликельвинов.
Leda, 28-кубитовый чип D-Wave