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