Gurtov_TE

Глава 14. Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники

Для классических компьютеров исключительно важной является проблема уменьшения рассеиваемой энергии в процессе вычислительных операций. Как уже отмечалось выше, 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 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 КМОП-транзисторов 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. На рисунке 14.1 приведена типичная топология инвертора на КМОП полевых транзисторах и схема, поясняющая его работу.

a

p- p+-подложка

Рис. 14.1. Разрез инвертора на КМОП полевых транзисторах (а) и принципиальная схема, поясняющая его работу (б) [15, 44]

441

Это качество КМОП транзисторов – низкие значения потребляемой входной и выходной мощности – является одним из главных преимуществ полевых транзисторов по сравнению с биполярными транзисторами.

14.1. 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 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. Действительно, при таком изменении, как следует из формулы (6.8), величина порогового напряжения VT и величина проводимости канала практически не изменяются. Быстродействие, определяемое временем пролета носителей через канал, согласно (6.31) возрастет в N раз, ток канала уменьшится в N раз, рассеиваемая мощность уменьшится в N2 раз. В таблице 14.1 приведена динамика изменения основных параметров МДП-приборов, проявляющаяся при пропорциональной микроминиатюризации.

Таблица 14.1. Эволюция размеров и параметров МДП-приборов

442

Идеи и принципы пропорциональной микроминиатюризации позволяют использовать масштабирование МДП-транзисторов при разработке интегральных схем на их основе. Такой подход позволил фирме Intel модернизировать процессоры персональных компьютеров каждые три-четыре года. В таблице 14.2 приведены этапы пропорциональной микроминиатюризации процессоров Intel за последние тридцать лет.

Таблица 14.2. Микроминиатюризация процессоров Intel

На рисунке 14.2 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 ограничения-

ми. [3, 13]

443

444

щают дальнейшее уменьшение линейных геометрических размеров транзисторов, напряжений и токов транзистора, ограничивают его быстродействие и плотность упаковки. В таблице 14.3 перечислены предельно допустимые значения параметров и основные физические ограничения.

Таблица 14.3. 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.

На рисунке 14.3 приведена зависимость Lmin от концентрации легирующей примеси NA, толщины окисла dox и напряжения питания Vпит, рассчитанная по (14.1). Отсюда видно, что при толщине окисла dox = 100 Å и концентрации акцепторов NA = 1017 см-3 возможно создание МОП-транзистора с длиной канала L = 0,4 мкм при напряжении питания 1-2 В. Дальнейшее уве-

445

личение легирующей концентрации в подложке может привести к туннельному пробою p+-n+ перехода.

0,10

L

S D

0 4 8 12

Рис. 14.3. Минимальная длина канала L, определяемая физическими ограничениями, в зависимости от напряжения питания, толщины окисла и уровня легирования

На рисунке 14.4 показана зависимость напряжения пробоя такого перехода от легирующей концентрации в подложке.

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 Å 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.

446

14.3. Приборы наноэлектроники для квантовых компьютеров

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 [3, 13].

Эти методы позволили приступить к реализации устройств наноэлектроники и молекулярной электроники, таких как квантовые точки, квантовые

447

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 устрой-

ствах [4, 5].

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 14.5 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.

448

Подложка

Рис. 14.5. Схема двух ячеек полупроводниковой структуры, использующей изменение состояний ядерных спинов 31P [5]

Измерение индивидуальных состояний ядерных спинов донорных атомов фосфора 31P является одной из наиболее важных проблем в полупроводниковых ЯМР квантовых 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 14.6 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 14.6 эти два электрона изображены под центральной квантовой точкой одноэлектронного транзистора. В отсутствии напряжения оба электрона локализованы вблизи донора 31P. Значение напряжения, при котором происходит переход одного из электронов к поверхности, зависит от то-

го, в триплетном или синглетном состоянии они находились вблизи донора

31P.

449

Рис. 14.6. Схема высокочувствительного электрометра на базе одноэлектронного транзистора и его зонная диаграмма [5]

Другим перспективным вариантом являются 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 14.7 приведена схема МДП транзистора с кубитами из квантовых точек в подзатворном диэлектрике [13].

Общий затвор

SiO2

Рис. 14.7. Схема МДП-транзистора с кубитами из квантовых точек в подзатворном диэлектрике. G1, G2, …, GM – индивидуальные затворы при кубитах. Все кубиты находятся в состоянии с n = 1 [13]

450