Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники

Миниатюризация. В последнее время в связи с приближением к пределам миниатюризации классических микроэлектронных приборов усилился интерес к приборам, могущим обеспечить дальнейший прогресс электроники. Одним из возможных путей такого прогресса является создание приборов, в которых контролируется перемещение определенного количества электронов, в частности, одного электрона, а также миниатюризация привела к переходу полупроводниковой промышленности к производству на наноуровне. Лидирующее место в этой области принадлежит производству микросхем, где разрабатывается 32 нм процесс изготовления процессоров (ожидается к 2009 году). У создателей микросхем впереди ещё много серьёзных проблем, которые связаны в основном с тем, что им придётся все глубже «погружаться» в наномир, где по некоторым параметрам в ближайшем будущем они достигнут физических пределов для традиционных логических MOSFET (полевой МОП-транзистор). Цитата Джина Хьюстона: «Миниатюризация оказывает важное воздействие на личность и культуру, ведь если машины малы и не портят окружающий пейзаж, то можно вновь прислушаться к словам ветра и читать великий замысел Единосущего, запечатленный в коре деревьев, ощутить ритмы, пробуждающиеся в кончиках собственных пальцев...". Остается слабая надежда, что миниатюризация даст возможность человеку перейти от потребительских ценностей к творческим.»

В 1965 году Гордон Мур обнаружил, что емкость каждой новой микросхемы памяти удваивается по сравнению с ее предшественницей, а сама новая микросхема появляется каждые месяца. Отсюда следовал вывод, что производительность компьютеров будет увеличиваться экспоненциально по времени (и так оно и происходит до сих пор). Этот закон описывает не только рост емкости оперативной памяти, он часто используется для определения степени роста быстродействия процессоров и емкости жестких дисков. За 26 лет количество транзисторов процессора увеличилось в 18 тыс. раз: от 2,3 тыс. в процессоре 4004 до 140 млн. в Pentium III Xeon. В 2007 году Intel выпустил процессоры с рабочей частотой свыше 20 ГГц, содержащие более миллиарда транзисторов. Закон Мура

Длина канала L, мкм63,521– M –1M –1 Поперечная диффузия L D, мкм1,40,60,4M –1M –1 Глубина p-n переходов x, мкм2,00,8 0.07–0.13M –1M –1 Толщина затворного окисла d ox, нм M –1M –1 Напряжение питания V пит, В4–153–73–72–42–4M –1M –1 Минимальная задержка вентиля τ, нс ,5M –1M –1 Мощность на вентиль P, мВт1,510,4M -2 Произведение быстродействия на мощность, пДж 1810,2M –3M –3 Эволюция размеров и микроминиатюризация параметров МДП-приборов Параметр прибора n-МОП с обогащен- ной нагрузкой 1972 Высоко- качест- венный МОП 1979 МОП 1980 Коэффи- циент изменения МОП 1989 МОП 2000

Уменьшение размеров транзистора ,01 0, Длина канала, мкм 65nm 35nm

мкм108 kHz мкм200 kHz мкм2 MHz мкм5 – 10 MHz ,5 мкм6 – 12,5 MHz ,5 – 1 мкм16 – 33 MHz 486DX – 0,6 мкм25 – 100 MHz Pentium ,8 – 0,35 мкм60 – 200 MHz Pentium II ,35 – 0,25 мкм233 – 450 MHz Pentium III ,25 – 0,13 мкм450 – 1300 MHz Pentium ,18 – 0,13 мкм>1400 MHz Pentium D ,09 мкм 3800 MHz Микроминиатюризация процессоров Intel МодельГод выпускаТранзисторыТактовая частотаТех.процесс

Физические ограничения микроминиатюризации

Минимальную длину канала ограничивает эффект, связанный со смыканием областей истока и стока при приложении напряжения к стоку V DS. Поскольку ширина l об p -n - перехода,смещенного в обратном направлении, равна При толщине окисла d ox =100 A и концентрации акцепторов N A = см –3 возможно создание МОП-транзистора 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. то минимальная длина канала 1) больше удвоенной ширины p-n-перехода L min >2 l об 2) прямо пропорциональна корню квадратному от напряжения питания 3) обратно пропорциональна корню квадратному от уровня легирования подложки.

Зависимость напряжения пробоя p-n + -перехода стока от концентрации легирующей примеси в подложке N A

Возможные направления для дальнейшей миниатюризации и повышения быстродействия Уменьшение толщины подзатворного диэлектрика Наращивание областей истока/стока Технология «Кремний-на-изоляторе» (SiO2) Транзистор с SiGe-каналом

Уменьшение толщины подзатворного диэлектрика Подзатворным диэлектриком является диоксид кремния, уменьшение толщины которого приводит к увеличению электрического поля (поперечного, что создает инверсионный слой в канале) через оксид. По мнению представителей корпорации Intel, существует теоретическая возможность создать работающий транзистор с толщиной подзавторного диэлектрика, равной размерам одного атома. 1,2 нм SiO 2 Транзистор, изготовленный Intel по технологии 90 нм

Наращивание областей истока/стока (SDE – Source/Drain Extension) Наращивание областей истока и стока позволяет предотвратить деградацию характеристик полевого транзистора и уменьшает вероятность пробоя подзатворного диэлектрика.

Технология SiO2 (Кремний на изоляторе) Создание дополнительного слоя SiO 2 сокращает паразитные емкости, а следовательно, позволяет добиться более высокой скорости переключения транзистора.

МОП транзистор с SiGe каналом Применение SiGe канала увеличивает скоростные характеристики транзистора за счет более высокой подвижности дырок. Однако преимущество уменьшается при сокращении длины канала.

Транзисторы, созданные в лабораториях Intel Декабрь 2000Июнь 2001 Декабрь нм 20 нм15 нм

Размеры современного МОП транзистора сравнимы с размерами молекулы ДНК Ген Поперечный размер – 10 нм МОП транзистор с длиной канала L=30 нм

Наноматериал-материалы, созданные с использованием наночастиц и/или посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале. К наноматериалам относят объекты, один из характерных размеров которых лежит в интервале от 1 до 100 нм. Согласно 7-ой Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004) выделяют следующие типы наноматериалов: нанопористые структуры наночастицы нанотрубки и нановолокна нанодисперсии (коллоиды) нанокристаллы и нанокластеры.

Материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих. Углеродные нанотрубки Фуллерены Графен Нанокристаллы Аэрогель Наноаккумуляторы

Биомолекулярная электроника Биомолекулярная электроника - раздел электроники и нанотехнологий, в которых используются биоматериалы и принципы переработки информации биологическими объектами в вычислительной технике для создания электронных устройств. В 1974 году А. Авирам и М. Ратнер предложили использовать отдельные молекулы в качестве элементарной базы электронных устройств. Затем М. Конрад предложил концепцию ферментативного нейрона, основанную на непрерывных распределенных средах, обрабатывающих информацию. Эти идеи дали начало квазибиологической парадигме, которая, базируясь на идеях нейронных сетей Мак Каллоха и Питтса, позволила практически реализовать молекулярные нейросетевые устройства, например, на основе белка бактериородопсина.

Компьютеры и микроэлектроника Центральные процессоры - уже существуют рабочие образцы процессоров с транзисторами размером 32 нм и опытные образцы на 22 нм. Жёсткие диски - в 2007 году Питер Грюнберг и Альберт Ферт получили Нобелевскую премию по физике за открытие GMR-эффекта, позволяющего производить запись данных на жестких дисках с атомарной плотностью информации. Сканирующий зондовый микроскоп - микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. Антенна-осциллятор - 9 февраля 2005 года в лаборатории Бостонского университета была получена антенна-осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц, что позволяет передавать с её помощью огромные объёмы информации. Плазмоны - коллективные колебания свободных электронов в металле. Характерной особенностью возбуждения плазмонов можно считать так называемый плазмонный резонанс, впервые предсказанный Ми в начале XX века.

Робототехника Молекулярные роторы синтетические наноразмерные двигатели, способные генерировать крутящий момент при приложении к ним достаточного количества энергии. Нанороботы роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Нанороботы, способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторами. Возможность создания нанороботов рассмотрел в своей книге «Машины создания» американский учёный Эрик Дрекслер. Вопросы разработки нанороботов и их компонентов рассматриваются на профильных международных конференциях[7][8]. Молекулярные пропеллеры наноразмерные молекулы в форме винта, способные совершать вращательные движения благодаря своей специальной форме, аналогичной форме макроскопического винта. С 2006 года в рамках проекта RoboCup (чемпионат по футболу среди роботов) появилась номинация «Nanogram Competition», в которой игровое поле представляет из себя квадрат со стороной 2,5 мм. Максимальный размер игрока ограничен 300 мкм.

Спасибо за внимание.