Наноэлектроника Лекция 1 к. т. н. , доц. Марончук И. И.
Целью дисциплины "Наноэлектроника" является формирование представлений о физических свойствах электронных систем различной размерности, о том, как влияет понижение размерности на физические явления, и какие новые эффекты при этом появляются.
Задачи курса состоят в ознакомлении студентов с основными тенденциями развития наноэлектроники в России и зарубежом, в изложении принципиальных понятий физики твёрдого тела для систем с пониженной размерностью и развитие основ понимания физических процессов, протекающих в этих системах при внешних воздействиях, изучении технологических основ наноэлектроники, связанные с применением современных технологических методов создания наноструктур и приборов наноэлектроники, изучении принципа работы и особенностей реализации элементов и приборов наноэлектроники, а также дать элементарные представления об использовании этих явлений при создании приборов наноэлектроники.
Литература по курсу: а) основная литература: 1. Щука А. А. Наноэлектроника. -М. : Физматлит, 2007. -464 с 2. Драгунов В. П. , Неизвестный И. Г. , Гридчин В. А. Основы наноэлектроники: Учеб. пособ. 2 -еизд. испр. и доп. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. -496 с 3. Борисенко В. Е. , Воробьёва А. И. , Уткина Е. А. Наноэлектроника. - М. : Бином Лаборатория знаний. 2009. 223 с. 4. Шишкин Г. Г. , Агеев И. М. Наноэлектроника. Элементы, приборы, устройства: учеб. пособ. М: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. 408 с. 5. Гересименко Н. Н. , Пархоменко Ю. Н. Кремний – материал наноэлектроники М: Техносфера, 2007. 352 с.
1. Розеншер Э. , Винтер Б. Оптоэлектроника М. : Техносфера, 2006. 592 с. 2. Варадан В. , Виной К. , Джозе К. ВЧ МЭМС и их применение М. : Техносфера, 2004. 528 с. 3. Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии М: Техносфера, 2005. 144 с. 4. Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции М. : Техносфера, 2006. 224 с. 5. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник М. : Техносфера, 2006. 592 с. 6. Старостин В. В. Материалы и методы нанотехнологий: учеб. пособ. 2 -е изд. М: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. 431 с. 7. Рыжонков Д. И. , Лёвина В. В. , Дзидзигури Наноматериалы: Учеб. пособ. 2 -е изд. М: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. 365 с. 8. Елисеев А. А. , Лукашин А. В. Функциональные наноматериалы/ Под ред. Ю. Д. Третьякова. М: Физматлит, 2010. 456 с. 9. Суздалев И. П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М: Ком. Книга, 2006. 592 с. 10. Нано- и микросистемная техника. От исследований к разработкам/ Сборник Под ред. П. П. Мальцева. М. : Техносфера, 2005. 592 с. 11. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника. Мировые достижения за 2005 г. / Сборник Под ред. П. П. Мальцева. М. : Техносфера, 2006. 152 с. 12. Хартманн У. Очарование нанотехнологии М. : Бином, 2008. 173 с. 13. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию М. : Бином, 2008. 136 с. 14. Третьяков Ю. Д. Нанотехнологии: Азбука для всех М. : Физмалит, 2008. 368 с. 15. Парфенов В. В. Квантово-размерные структуры в электронике: оптоэлектроника. Казань: КГУ, 2007. 16 с. 16. Нанотехнология и микромеханика: Учебное пособие / Ю. А. Иванов, К. В. Малышев, В. А. Шалаев и др. Ч. 1. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2003. 48 с. 17. Ткачев А. Г. , Золотухин И. В. Аппаратура и методы синтеза твердотельных наноструктур М. : Машиностроение, 2007. 314 с. 18. Вихров С. П. , Холомина Т. А. Нанотехнологии и биосистемы. Научное издание. Рязань: «Сервис» . 2010, 236 с.
Введение. Основные тенденции развития микро- и наноэлектроники
Технологические уклады в экономике По теории Н. Кондратьева о больших волнах в экономике развитие мировой экономики определяется новыми технологическими укладами, состоящими из 3 -х этапов: 1. Научного (10 -15 лет), 2. Создание образца (10 -15 лет); 3. Проникновение уклада в мировую экономику (10 -15 лет) К основным укладам нашего времени относится: • IV-технологический уклад (1940 -1980 гг. )- массовое производство автомобилей, самолетов, тяжелое машиностроение, большая химия • V-технологический уклад (1980 -2020 гг. )- компьютеры, электроника, телекоммуникации, малотоннажная химия • VI-технологический уклад (2010 -2050) – нанотехнологии, биотехнологии, проектирование живого, робототехника, медицина.
Электроника является динамично развивающейся областью науки и техники. Весь арсенал средств, которым располагает современная электроника, был создан всего за несколько десятилетий. Фундамент электроники был заложен трудами физиков в XVIII– XIX в. Выделяют несколько этапов развития электроники. 1 этап – до 1904 г. (в 1873 г. А. Лодыгин изобрел лампу накаливания с угольным стержнем; в 1883 г. Т. Эдисон открыл явление термоэлектронной эмиссии; в 1874 г. Ф. Браун открыл выпрямительный эффект в контакте металла с полупроводником; в 1895 г. А. Попов использовал этот эффект для детектирования радиосигналов и т. д. ).
2 этап – до 1948 г. – период развития вакуумных и газоразрядных электроприборов (в 1904 г. Д. Флеминг сконструировал электровакуумный диод; в 1907 г. Ли–де–Форест изобрел триод; в 1920 году Бонч–Бруевич разработал генераторные лампы с медным анодом и водяным охлаждением, мощностью до 1 к. Вт; в 1924 г. Хеллом разработана экранированная лампа с двумя сетками (тетрод) и в 1930 г. лампа с тремя сетками (пентод); в 1929 г. В. Зворыкиным был изобретен кинескоп; с 30–х годов ведется разработка приборов СВЧ– диапазона и т. д. ). В настоящее время электровакуумные приборы занимают значительную нишу в ряду существующих классов приборов электроники и работают в области высоких уровней мощностей (106– 1011 Вт) и частот (108– 1012 Гц). 3 этап – с 1948 г. – период создания и внедрения дискретных полупроводниковых приборов.
4 этап – с 1960 г. – период развития микроэлектроники (Роберт Нойс предложил идею монолитной интегральной схемы и, применив планарную технологию, изготовил первые кремниевые монолитные интегральные схемы). Развитие серийного производства интегральных микросхем шло ступенями: 1) 1960 – 1969 гг. – интегральные схемы малой степени интеграции, 102 транзисторов на кристалле размером 0, 25 Ч 0, 5 мм (МИС). 2) 1969 – 1975 гг. – интегральные схемы средней степени интеграций, 103 транзисторов на кристалле (СИС). 3) 1975 – 1980 гг. – интегральные схемы с большой степенью интеграции, 104 транзисторов на кристалле (БИС). 4) 1980 – 1985 гг. – интегральные микросхемы со сверхбольшой степенью интеграции, 105 транзисторов на кристалле (СБИС). 5) С 1985 г. – интегральные микросхемы с ультрабольшой степенью интеграции, 107 и более транзисторов на кристалле (УБИС). Полупроводниковая электроника и микроэлектроника являются основными направлениями при изучении курса электроники в ПГАТИ, поэтому на них следует обратить особое внимание.
5 этап – с 80–х годов развивается функциональная электроника, позволяющая реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов (диодов, резисторов, транзисторов и т. д. ), базируясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле. 6 этап – в последние годы развивается новое направление – наноэлектроника. Нанотехнологии позволяют манипулировать атомами (размещать в каком–либо порядке или в определенном месте), что дает возможность конструировать новые приборы с качественно новыми свойствами. Охватывая широкий круг научно–технических и производственных проблем, электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При этом, с одной стороны, электроника ставит задачи перед другими науками и производством, стимулируя их дальнейшее развитие, и с другой стороны, вооружает их качественно новыми техническими средствами и методами исследования
Программы по нанотехнологиям 1. Рамочная программа (FP) Европейского Союза (начата в 1997 г. ) На период 2007 -2013 гг. в рамках FP-7 выделено 73 млрд. Евро 2. Национальная нанотехнологическая инициатива (США с 2001 г. ) ежегодно финансируется более 4 млрд. долларов 3. Программа НАН Украины «Наносистемы, наноматериалы, нанотехнологии» (с 2003 г. ) – финансирование 8, 5 млн. грн. ежегодно 4. Программа «Индустрия наносистем и материалов» (Россия, 2008 г. ) Курчатовский институт выделено ежегодно 300 млн. долларов 5. Программа создания Наукограда (под Москвой) – 2 млрд. Долларов
Иерархия форм материи Материальный (вещественный) мир многоуровневая система стабильных материальных образований различных размеров: • • • Физический вакуум (кварки, гравитоны) Элементарные частицы, атомы Макроскопическое состояние вещества Планеты и солнечные системы Галактики и их образование Существуют промежуточные переходные состояния между стабильными уровнями (например, наномир)
Наномир Макроскопический объект является 3 -х мерным, т. е. во всех трех измерениях (х, y, z) имеет макроскопические величины. Промежуточное состояние между состоянием изолированных атомов или молекул и состоянием объемного твердого тела - нанообъекты Особенность состояния нанообъектов обусловлена: • образованием размерных эффектов, когда размер нанообразования соизмерим с характерным размером физического явления (l, λ, ξ, Δ); • большой величиной отношения количества поверхностных атомов к количеству атомов, содержащихся в объеме
Нанообъекты имеют в одном, двух или трех измерениях нанометровые размеры и соответственно называются: • Двумерные (квантовые ямы, КЯ)-пластины с наномерной толщиной d (например, d≤ λв), двумерный электронный газ • Одномерные (квантовые нити, КН)- нити, наноразмерной толщиной, одномерный электронный газ • Нульмерные (квантовые точки, КТ)-образования, которые по x, y, z имеют наноразмерную величину. Квантовые точки содержат от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч атомов, дискретный энергетический спектр электронов. Их называют сверхатомами (электроны) или сверхантиатомами (дырки). КТ могут быть в виде наночастиц, фуллеренов, нанотрубок, эпитаксиальных островков
Нанонауки, нанотехнологии, наноинженерия Изучение нанообъектов и нанообразований осуществляется нанонауками: нанофизика, нанохимия, нанобиология, наноматериаловедение, нанометрология Получение их осуществляется нанотехнологиями: основанными на измельчении макроскопических материалов и на процессах самосборки из атомов и молекул. Применение их осуществляется наноинженерией: электроникой, приборостроением, фармокологией.
Основные вехи становления нанофизики • 1937 г. Фрерих показал, что металлические наночастицы имеют особые термодинамические свойства • 1962 г. Л. Келдыш предложил создание искусственных латеральных сверхрешетки • 1966 г. экспериментальные работы в США и СССР по квантово-размерным эффектам в наноразмерных металлических и полупроводниковых слоях • 1970 г. Л. Эзаки и Цу предложили выращивать сверхрешетки методом МВЕ • 1971 Ж. Алферов вырастил сверхрешетку в газотранспортном процессе
• 1971 Ж. Алферов, Ю. Жиляев вырастили сверхрешетку в газотранспортном процессе • 1980 г. Клитцинг экспериментально открыл на КЯ целочисленный квантовый эффект Холла (Нобелевская премия 1985 г. ) • 1982 г. Тсуи, Штермер, Госсард открыли на КЯ дробный квантовый эффект Холла (Нобелевская премия 1988 г. ) • 1982 г. Екимов опубликовал работу по получению квантовых точек в Cd. Se • 1991 г. Кенихем получил пористый кремний • 1993 г. получены фуллерены (Нобелевская премия 1997 г. )
Наноэлектроника – область современной электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем и устройств на их основе с размерами элементов менее 100 нм. (Изготовление электронных устройств, элементы которых имеют линейные размеры в нанодиапазоне). Основная задача наноэлектроники состоит в разработке новых электронных устройств со сверхмалыми размерами, создании методов их получения и объединения в интегральные схемы. Научные исследования и технологические разработки в наноэлектронике опираются на передовые знания в области электроники, механики, материаловедения, физики, химии, биологии и медицине. И объединяет их объект исследований – структуры со сверхмалыми размерами и необычными для «большого» мира свойствами.
Под наноэлектроникой понимают направление электроники, в котором изучаются физические явления и процессы взаимодействия электронов с электромагнитными полями, а также разработка нанотехнологии создания приборов и устройств, в которых данное взаимодействие используется для передачи, обработки и хранения информации. В настоящее время наноэлектроника – это использование нанотехнологий в микроэлектронике для создания новых устройств и улучшения характеристик уже существующих. Устройства наноэлектроники базируются на физических эффектах в наноструктурах и наноматериалах, таких как туннелирование, квантовый размерный эффект, управления спином частиц, а также одночастичные и коллективные эффекты в ансамблях наночастиц. Под нанотехнологией будем понимать совокупность способов и приемов создания элементов и приборов нанометровых размеров, в том числе из отдельных молекул и атомов.
Наноэлектроника является логическим развитием микроэлектроники. Твердотельные информационные приборы уменьшились от микро- (10– 6) до нанометрового (10– 9) размера. По мере приближения характерного размера твердотельной структуры электронного прибора к нанометровой области, соизмеримой с размерами атомов, проявляются квантовые свойства электронов. Если в микроэлектронных приборах поведение электрона определилось поведением элементарной частицы, имеющей массу и заряд, то в наноэлектронных приборах поведение электрона определяется его волновыми свойствами.
История 1947 — У. Шокли, Bell Labs, точечный транзистор 1951 — У. Шокли, Bell Labs, биполярный транзистор 1956 — У. Шокли, Нобелевская премия за открытие транзисторного эффекта Точечный транзистор (1947) 1952 — Bell Labs, продажа лицензий на выпуск биполярных транзисторов ($ 25000, 26 фирм) Планарный транзистор (1951)
1954 — Bell Labs, транзистор с толщиной базы 1 мкм (частота 170 МГц) 1955 — Bell Labs, первый полевой транзистор 1955 — Bell Labs, в производстве уже используются все основные технологические операции микроэлектроники: осаждение изолятора, фотолитография с масками (200 мкм), травление и диффузия Ручная нарезка маски для фотолитографии Схема из патента Эрни на планарный транзистор Патент на полевой транзистор (1960)
Кристалл интегральной схемы (триггер, 1960) Патент Нойса на планарную интегральную схему (1959) 1952 — Джэффри Даммер, идея интегральной схемы ( «брусок без проводов» ) 1958 — Джэк Килби, первая интегральная схема (пять элементов, генератор) 2000 — Джэк Килби, Нобелевская премия за создание интегральной схемы 1963 — транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) 1963 — Фрэнк Уанласс, Fairchild, использование комплементарных МОП (КМОП) структур уменьшает энергопотребление в статике ~1. 000 раз
Кремний на изоляторе 1998 — IBM, технология «кремний на изоляторе» (КНИ, SOI): на кремниевой пластине формируется слой Si. O 2 (изолятор), а поверх него — тонкий слой Si. Строго говоря, «кремний на сапфире» (КНС) — это тоже КНИ, т. к. сапфир (Al 2 O 3) также является изолятором, но технология IBM дешевле и лучше приспособлена к имеющемуся оборудованию. Однако за 13 лет лидер полупроводниковой промышленности, Intel, так это и не заметил и продолжает использовать «bulk silicon» , т. е. чистые кремниевые пластины, поскольку они дешевле. Кремний на изоляторе (IBM, 1998)
Фотолитография 1982 — IBM, внедрение в фотолитографию эксимерных лазеров с длинами волн 248 (Kr. F) и 193 (Ar. F) нм. Поскольку воздух поглощает излучение на длинах волн короче 186 нм, в самых современных техпроцессах с нормами менее 30 нм по-прежнему используются Ar. F лазеры. Рано или поздно состоится переход на экстремальный ультрафиолет (ЭУФ, EUV) с длинами волн 13, 5 нм (и менее), что заставит Современный литографический сканер использовать вакуумные камеры. ASML Twin. Scan 1950 i Иммерсионная литография 2006 — иммерсионная литография: пространство между последней линзой и экспонируемой пластиной заполняется не воздухом, а жидкостью (на сегодня — водой). Из-за большего показателя преломления жидкости (1 для воздуха и 1, 33 для воды) и соответствующего роста числовой ) апертуры ( улучшает разрешение на 30– A это 40%. Intel использует иммерсионную литографию, начиная с техпроцесса 32 нм, а AMD — уже с техпроцесса 45 нм.
Закон Мура 1965 — Гордон Мур, доклад «Будущее интегральной электроники» , график (5 точек, период 1959– 1964), связывающий число компонентов на чип (и их минимальную цену) и время Эти чипы— источник закона Мура Закон Мура (биполярная и полевая логика, память, 1975) Основной вывод Мура: «Число компонентов на чипе удваивается каждый год» На базе экстраполяции этой (экспоненциальной) зависимости был сделан прогноз развития микроэлектроники на следующие 10 лет, и этот прогноз оправдался. 19 апреля 1965 — отредактированная версия доклада публикуется в журнале «Electronics»
Технологические нормы сложных микросхем. Падает и их цена — правда, не вдвое, а примерно в 1, 5 раза при каждом переходе на очередной техпроцесс Технологические нормы для процессоров Intel. По мнению компании, 15 нм техпроцесс должен стать первым, где будет применен экстремальный ультрафиолет (EUV). Площадь кристалла для наиболее сложных микросхем (процессоры и память) на указанный по оси абсцисс год. Тенденция до 90 -х годов — увеличение площади на 14% в год (прямая линия)— остановлена, но площадь самых сложных кристаллов достигает 400– 500 мм 2
Экспоненциальный рост числа транзисторов на кристалле интегральной схемы. Начиная с 70 -х годов этот рост для микросхем памяти и процессоров идет меньшими темпами — 58 % и 38 % в год. Число дефектов на 1 см 2 площади кристалла для самых продвинутых фабрик при финишном тестировании. Жирные цифры— технологические нормы в мкм, в скобках — диаметр пластин. Плотность дефектов для чипов Intel, произведенных по разным технологическим нормам. По оси ординат также используется логарифмический масштаб.
Стоимость современного завода (или его стоимость после обновления) выросла в 70 раз за 30 лет, а цена каждого транзистора упала в 2000 раз. Удельные цены пластины и микросхем за единицу характеристики. Линия соответствует ежегодному падению цены на 35% (в 1, 54 раза).
Несмотря на некоторые колебания в периоде удвоения, закон Мура продолжает работать. Однако, в 2007 году сам Мур признал, что его закон перестаёт действовать уже из-за атомарных ограничений и влияния скорости света.
Как видно из рисунка к середине 90 -х годов размер элементов интегральных схем уменьшился до нескольких сотен нанометров, а плотность активных (транзисторов) элементов достигла 4*106 см-2. Возможности электронно-лучевой литографии позволяют еще на 1 -2 порядка уменьшить размер элементов интегральных схем. Динамика уменьшения размеров элементов интегральных схем
Технические и физические пределы дальнейшей миниатюризации полупроводниковых приборов. 1. При уменьшении линейного размера активного элемента в 10 раз плотность элементов в интегральной схеме возрастет по крайней мере в 100 раз. Очевидно, что отвод тепловой энергии в этом случае становится неразрешимой задачей, т. к. уже современные микропроцессоры выделяют мощность порядка 10 Вт/см 2. 2. Существуют также принципиальные ограничения, связанные с физикой работы полупроводниковых приборов. Размер полупроводникового элемента не может быть меньше длины экранирования Дебая, которая обратно пропорциональна концентрации электронов в зоне. В полупроводниках с большой концентрацией электронов длина Дебая составляет десятки нанометров. С другой стороны максимальный уровень легирования (порог вырождения) у кремния составляет 1020/см 3. При размере элемента (канала транзистора) 10 нм его объем составляет примерно 2*10 -19 см 3, тогда в одном элементе будет всего 20 атомов примеси, что приведет к недопустимо большому статистическому разбросу параметров полупроводниковых элементов.
В связи с этим представляются чрезвычайно актуальными исследования, направленные на создание альтернативных материалов и устройств с размерами 1 -10 нм. , способных обеспечить дальнейший рост производительности интегральных микросхем как за счет собственных нетривиальных электрофизических свойств, так и за счет возможности изготовления на их основе приборов, работающих на принципиально иных физических эффектах. Такие наноустройства можно разделить на два вида (таблица 1): 1. Приборы на основе отдельных молекул (молекулярная электроника). 2. Твердотельные квантово-механические и одноэлектронные устройства (наноэлектроника)
В настоящее время в этой области создана теоретическая база для конструирования всех необходимых логических устройств и наметился прогресс в технологии создания транзистора и элемента памяти на основе гибридных структур. Оценочные размеры и степень интеграции элементов памяти. Перспективы использования таких структур в качестве элементов памяти демонстрирует рис. 2. Сплошной линией показаны предельные возможности использования традиционных структур типа металл-окисел-полупроводник. Пунктиром показана перспектива использования специально сформированных туннельных переходов на основе широкозонных полупроводников (например Si 3 N 4 -Al. N- Si 3 N 4). И поистине фантастические результаты можно получить используя в качестве элемента памяти одноэлектронный транзистор (точки).
«Напряженный» кремний В 2004 технологию «напряженный» кремний» Intel и AMD применили для техпроцесса 90 нм. Для 65 нм была внедрена ионная имплантация германия и углерода в исток и сток. Германий «раздувает» концы транзистора и сжимает канал, что увеличивает скорость дырок (основных носителей заряда в p-канальных транзисторах). Углерод сжимает исток и сток, что растягивает nканал, увеличивая подвижность электронов. Также весь pканальный транзистор покрывается сжимающим слоем нитрида кремния. «Напряженный» кремний (IBM, 2001)
«High-k» диэлектрики Для 90 -нм техпроцесса толщина затвора уменьшилась до 1, 2 (Intel) — 1, 9 (Fujitsu) нм при периоде решетки кремния — 0, 543 нм. В таких условиях электроны начинают туннелировать через диэлектрик, что приводит к утечке тока. Поэтому для 65 -нм техпроцесса уменьшились все параметры транзистора, кроме толщины затвора. Толщина подзатворного изолятора в Si. O 2–эквиваленте и относительная утечка тока
2007 (45 -нм техпроцесс) — появление технологии HKMG (high-k metal gate, изолятор с высокой диэлектрической проницаемостью и металлический затвор). относительная диэлектрическая — проницаемость. В микроэлектронике «нормальным» считается (Si. O 2). ~3, 9 Материалы с относятся к классу «high>3, 9 k» , а c — к «low-k» . <3, 9 За счет использования слоя оксинитрида кремния-гафния (Hf. Si. ON, =20– 40), толщиной 3 нм в технологическом процессе 45 -нм удалось уменьшить утечки тока в 20– 1000 раз. Для получения такой же скорости работы старый затвор пришлось бы делать толщиной 1 нм, что было бы катастрофой из -за токов утечки. Приводимые толщины подзатворных изоляторов менее 1 нм являются Si. O 2–эквивалентами и применяются только для расчета частоты, но не утечек. Толщина подзатворного изолятора в Si. O 2–эквиваленте и относительная утечка тока
Гафниевый изолятор не совместим с поликремниевым затвором, так что пришлось менять и его — на металлический. Однако новый затвор не алюминиевый, как это было в 60 -х, а сплав двух металлов. Его сопротивление ниже, что ускоряет переключение транзистора. Долгое время составы сплавов для p- и nканальных транзисторов держались Intel в строгом секрете. Однако в 2008 г. инженеры IBM разработали свою версию этой технологии, которая теперь используется на заводах Global Foundries (ранее принадлежали AMD) Реализация металлического затвора (Intel)
90 -нм, 65 -нм, 45 -нм и 32 -нм техпроцессы 4 поколения транзисторов Intel (слева направо, сверху вниз): 90 -нм (2003, впервые используется напряженный кремний) 65 -нм (2005) 45 -нм (2007, впервые используется HKMG) 32 -нм (2009)
Сравнение 65 -нм и 32 -нм техпроцессов В транзисторах 65 -нм техпроцесса (слева) используются двунаправленные дорожки (вертикаль и горизонталь) и переменные размеры затворов и их шагов. Для 32 -нм техпроцесса (справа) все это уже невозможно.
Результат 45 -нм технологический процесс
Сухая литография (193 нм, двойное шаблонирование) на цельной пластине Si Длина затвора — 35 нм (как в 65 -нм техпроцессе), шаг затвора — 160 нм без (на 27% меньше) и 200 нм с изоляторами (на 9% меньше, чем в 65 -нм техпроцессе) Металлический затвор осаждается последним Спрямление углов затвора за счет использования двух видов фоторезиста Эквивалентная толщина «high-k» изолятора — 1 нм 30% легирование Ge стока и истока для p-канальных транзисторов (увеличение подвижности дырок и частоты на 51%) Использование только сонаправленных по всему чипу каналов Десятислойные соединения (со 2 -го слоя — Cu) с изолятором из Si. O 2: С, включая слой вольфрама (на истоках и стоках), служащего диффузионным барьером Четные слои металла параллельны каналам, нечетные — перпендикулярны Последний (самый толстый) слой металла —распределитель тепла по площади всего кристалла Широкое использование «фиктивных» структур (дорожек, затворов и т. д. ) для выравнивания локальной плотности и теплопроводности Бессвинцовая пайка кристалла в корпус
Перспективные полупроводники Арсенид галлия (Ga. As) — полупроводник, третий по масштабам использования после Si и Ge. Запрещенная зона 1, 424 э. В (300 K). Применяется в сверхвысокочастотных интегральных схемах и транзисторах, туннельных диодах, светодиодах, лазерных диодах, фотоприемниках и т. д. Фосфид индия (In. P) — прямозонный полупроводник с шириной запрещенной зоны 1, 34 э. В (300 K). Используется для создания сверхвысокочастотных транзисторов и диодов. По высокочастотным свойствам превосходит Ga. As Молибденит (Mo. S 2) — мягкий свинцово-серый минерал. Полупроводник, применявшийся в радиотехнике для изготовления детекторов. Недавно появились сообщения о создании транзисторов на его основе и первого чипа. Молибденит и транзистор на его основе
Углеродные наноструктуры Углеродные нанотрубки — длинные цилиндрические структуры (диаметр от одного до нескольких десятков нанометров, длина до нескольких сантиметров), состоящие из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена. Углеродная нанотрубка В зависимости от диаметра углеродные трубки проявляют металлические или полупроводниковые свойства. Возможные применения в микроэлектронике: диоды, транзисторы, нанопровода, наноэлектроды (катоды SED), прозрачные проводящие поверхности, оптоэлектроника и т. д. Типы нанотрубок
Углеродные наноструктуры Фуллерены — класс молекулярных соединений, являющихся аллотропными формами углерода и представляющих собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из четного числа трехкоординированных атомов углерода. 1996 — Крото, Смолли и Керлу, Нобелевская премия по химии за открытие фуллеренов Фуллерен С 60 Кристаллы фуллерена — полупроводники с шириной запрещенной зоны ~1, 5 э. В. В микроэлектронике их главное преимущество по сравнению с кремнием — малое время релаксации фотоотклика (единицы нс). Наиболее перспективно использование молекул фуллерена в качестве самостоятельных наноразмерных устройств. Фуллерен 540
Углеродные наноструктуры Графен — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Атомы слоя упорядочены в гексагональную двумерную кристаллическую решетку, которую представляет собой одну плоскость графита, отделенную от объемного кристалла. 2010 — А. К. Гейм и К. С. Новоселов, Нобелевская премия по физике за «передовые опыты с 2 D материалом— графеном» . Графит Максимальная (среди известных материалов) подвижность электронов делает графен одним из самых перспективных материалов для наноэлектроники и потенциальную замену кремния в интегральных микросхемах. Графен
Молекулярные кристаллы Молекулярный кристалл — кристалл, построенный из молекул. Молекулы связаны между собой слабыми Ван-дер-Ваальсовыми силами, внутри же молекул между атомами действует гораздо более прочная ковалентная связь. Большинство молекулярных кристаллов — это кристаллы органических соединений. К этому же классу относятся и кристаллы полимеров, белков, нуклеиновых кислот. Большинство молекулярных кристаллов — диэлектрики, Однако некоторые, например, полимеры— полупроводники.
- СПИНовая элек. ТРОНИКА – СПИНТРОНИКА направление наноэлектроники, в котором для представления и обработки информации наряду с зарядом используется спин электрона Как известно, спин электрона — это специфическое свойство электрона, присущее ему наравне с массой порядка 10– 31 кг и зарядом порядка 10– 19 Кл. Спин — это момент импульса электрона на некоторую ось Z, т. е. проекция на эту ось какого-то движения электрона относительно нее. При этом электроны могут иметь две одинаковые проекции, но с разными знаками. В любом энергетическом состоянии могут находиться два электрона, но обязательно с разными спинами.
Что такое одноэлектроника и одноэлектронные приборы? Одноэлектроника — это раздел наноэлектроники, изучающий условия и приборные структуры, в которых перенос тока осуществляется одним электроном, или, точнее, определяется движением одного электрона. Одноэлектронными называются приборы, в которых контролируется перемещение одного электрона или малого их количества.
Макромолекулярная электроника В малекулярной электронике выделяют два основных направления: микромолекулярная электроника (или просто молекулярная электроника) и макромолекулярная электроника (или органическая электроника). Макромолекулярная электроника – это электроника в которой в качестве элементов схем используются тонкие (20 -200 нм) пленки органических материалов.
