Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники..

1. Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники.. Гудкина А.А.Льдинина О.С.Голованова А.С.21302

2. 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 МДП-транзистора и получил название высококачественной, или Н-МОП, технологии.

3. МДП - структура

4. Эволюция базовых элементов кремниевых интегральных схем

5. Эволюция размеров и микроминиатюризация параметров МДП-приборов n-МОП с обогащен-ной нагрузкой 1972 n-МОП с обеднен-ной нагрузкой 1976 Высоко-качест-венный МОП 1979 МОП 1980 Коэффи-циент изменения Параметр прибора

6. Микроминиатюризация процессоров Intel Модель Год выпуска Транзисторы Тех.процесс Тактовая частота

7. Динамическое уменьшение размеров транзистора при пропорциональной микроминиатюризации 10 1 Длина канала, мкм 0,1 0,01 1970 1980 1990 2000 2010 2020

8. Уменьшение длины канала Год Тех.процесс Длина затвора

9. Микроминиатюризация процессоров Intel

10. 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.

11. Физические ограничения микроминиатюризации • Предельно допустмые значения параметров и основные физические ограничения Параметр Физическое ограничение

12. Параметр Физическое ограничение

13. 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.

14. 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 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.

15. 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.

16. 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

17. Полупроводниковые квантовые компьютерына 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.

18. 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.

19. Полупроводниковые квантовые компьютерына 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)

20. 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