Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Часть цикла статей о
Наноэлектроника
Одномолекулярная электроника
Твердотельная наноэлектроника
Связанные подходы

Наносхемы - это электрические схемы, работающие в нанометровом масштабе. Это хорошо в квантовой сфере , где квантово-механические эффекты становятся очень важными. Один нанометр равен 10 -9 метрам или ряду из 10 атомов водорода. С такими постепенно уменьшающимися схемами на компьютерной микросхеме можно разместить больше. Это позволяет выполнять более быстрые и сложные функции с меньшим энергопотреблением. Наносхемы состоят из трех основных компонентов. Это транзисторы , межсоединения и архитектура , изготовленные в нанометровом масштабе.

Различные подходы к наносистеме [ править ]

Было выдвинуто множество предложений по реализации наносхем в различных формах. К ним относятся нанопроволоки , одноэлектронные транзисторы , клеточные автоматы на квантовых точках и наноуровневые перекрестные защелки . Однако, вероятно, более близкие подходы будут включать использование наноматериалов для улучшения MOSFET ( полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник). В настоящее время они составляют основу большинства аналоговых и цифровых схем, масштабирование которых приводит в действие закон Мура . Обзорная статья [1]Описание конструкции полевого МОП-транзистора и его будущего было опубликовано в 2004 году, в котором сравнивались различные геометрии полевых МОП-транзисторов при уменьшении масштаба, и отмечалось, что полевые транзисторы с вертикальным каналом круглого сечения оптимальны для уменьшения масштаба. Эта конфигурация может быть реализована с высокой плотностью при использовании вертикальных полупроводниковых цилиндрических каналов с наноразмерными диаметрами, и Infineon Technologies и Samsung начали исследования и разработки в этом направлении, в результате чего были получены некоторые основные патенты [2] [3] с использованием нанопроволок и углеродных нанотрубок в MOSFET. конструкции. В альтернативном подходе [4] Nanosysиспользует процессы осаждения и выравнивания на основе раствора для создания рисунка предварительно изготовленных массивов нанопроволок на подложке, которые служат в качестве бокового канала полевого транзистора. Несмотря на то, что они не обладают такой же масштабируемостью, как полевые транзисторы с одной нанопроволокой, использование предварительно изготовленных нескольких нанопроволок для канала повышает надежность и снижает производственные затраты, поскольку для нанесения нанопроволок можно использовать процессы печати большого объема при более низкой температуре, чем традиционные процедуры изготовления. Кроме того, из-за более низкой температуры осаждения более широкий спектр материалов, таких как полимеры, может использоваться в качестве несущей подложки для транзисторов, открывающих дверь для гибких электронных приложений, таких как электронная бумага, гибкие плоские дисплеи и солнечные элементы большой площади.

Методы производства [ править ]

Одна из самых фундаментальных концепций для понимания наноцепей - это формулировка закона Мура . Эта концепция возникла, когда соучредитель Intel Гордон Мур заинтересовался стоимостью транзисторов и попытался разместить больше на одном кристалле. В нем говорится, что количество транзисторов, которые могут быть изготовлены на кремниевой интегральной схеме - и, следовательно, вычислительные возможности такой схемы - удваиваются каждые 18–24 месяца. [5]Чем больше транзисторов можно разместить в схеме, тем больше вычислительных возможностей будет у компьютера. Вот почему ученые и инженеры работают вместе над созданием этих наносхем, чтобы все больше и больше транзисторов могло уместиться на микросхеме. Несмотря на то, насколько хорошо это может звучать, возникает много проблем, когда так много транзисторов упаковано вместе. Из-за того, что схемы настолько крошечные, у них, как правило, больше проблем, чем у более крупных схем, в частности тепла - количество мощности, приложенной к меньшей площади поверхности, затрудняет отвод тепла, это избыточное тепло вызовет ошибки и может разрушить микросхему. Схемы в наномасштабе более чувствительны к изменениям температуры, космическим лучам и электромагнитным помехам, чем сегодняшние схемы. [6] По мере того, как в микросхеме помещается все больше транзисторов, такие явления, как паразитные сигналы на кристалле, необходимость рассеивать тепло от большого количества плотно упакованных устройств, туннелирование через изоляционные барьеры из-за небольшого размера и трудности изготовления будут останавливать или сильно замедлять прогресс . [7] Наступит время, когда стоимость создания схем еще меньше будет слишком высокой, а скорость компьютеров достигнет максимума. По этой причине многие ученые считают, что закон Мура не будет действовать вечно и скоро достигнет своего пика, поскольку закон Мура в значительной степени основан на вычислительных преимуществах, вызванных усовершенствованием технологий микролитографического травления.

При создании этих наносхем задействовано множество аспектов. Первая часть их организации начинается с транзисторов. На данный момент большая часть электроники использует кремниевые транзисторы. Транзисторы являются неотъемлемой частью схем, поскольку они контролируют поток электричества и преобразуют слабые электрические сигналы в сильные. Они также управляют электрическим током, поскольку могут его выключать или даже усиливать сигналы. В схемах теперь используется кремний в качестве транзистора, потому что его можно легко переключать между проводящим и непроводящим состояниями. Однако в наноэлектронике транзисторы могут быть органическими молекулами или наноразмерными неорганическими структурами. [8] Полупроводники , входящие в состав транзисторов, также состоят из органических молекул в нано-состоянии.

Второй аспект организации наноконтейнера - это взаимосвязь. Это включает в себя логические и математические операции и провода, соединяющие транзисторы вместе, что делает это возможным. В наноцепях для соединения транзисторов используются нанотрубки и другие провода толщиной в один нанометр. Нанопроволоки производятся из углеродных нанотрубок в течение нескольких лет. Еще несколько лет назад для создания схемы были собраны транзисторы и нанопроволоки. Однако ученым удалось создать нанопроволоку с транзисторами в ней. В 2004 году пионер нанотехнологий из Гарвардского университета Чарльз Либер и его команда создали нанопроволоку - в 10 000 раз тоньше листа бумаги - которая содержит цепочку транзисторов. [9] По сути, транзисторы и нанопроволоки уже предварительно смонтированы, чтобы исключить сложную задачу попытки соединить транзисторы вместе с нанопроводами.

Последняя часть организации наносистемы - это архитектура. Это было объяснено как общий способ соединения транзисторов, так что схема может подключаться к компьютеру или другой системе и работать независимо от деталей нижнего уровня. [10] Поскольку наносхемы настолько малы, они обречены на ошибки и дефекты. Ученые изобрели способ обойти это. Их архитектура сочетает в себе схемы с избыточными логическими вентилями и межсоединениями с возможностью реконфигурировать структуры на нескольких уровнях микросхемы. [11] Избыточность позволяет схеме выявлять проблемы и реконфигурировать себя, чтобы схема могла избежать дополнительных проблем. Это также допускает ошибки в логическом элементе и при этом обеспечивает его правильную работу, не давая неправильного результата.

Экспериментальные открытия и потенциальные применения [ править ]

Дополнительная информация: Наноэлектроника и история нанотехнологий.

В 1960 году египетский инженер Мохаммед Atalla и корейский инженер Давон Канг в Bell Labs изготовлен первый МОП - транзистор (металл-оксид-полупроводник полевой транзистор) с оксидом затвора толщиной 100 нм , наряду с затвором длиной 20  мкм . [12] В 1962 году Atalla и Kahng изготовили нанослоя -BASE металл-полупроводник (М-С спай) транзистор , что б золота (Au) тонкие пленки с толщиной 10 нм . [13]

В 1987 году иранский инженер Биджан Давари возглавил исследовательскую группу IBM, которая продемонстрировала первый полевой МОП-транзистор с толщиной оксида затвора 10 нм с использованием технологии вольфрамового затвора. [14] Многозатворные полевые МОП-транзисторы позволили масштабировать длину затвора менее 20 нм , начиная с FinFET (полевого полевого транзистора), трехмерного, неплоского, двухзатворного полевого МОП-транзистора. [15] FinFET возник в результате исследования Дая Хисамото в Центральной исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году. [16] [17] [18] [19] В Калифорнийском университете в Беркли.Устройства FinFET были изготовлены группой , состоящей из Hisamoto вместе с TSMC «S Chenming Hu и другими международными исследователями , включая Tsu-Jae король Лю , Джеффри Бокор, Hideki Takeuchi, К. Асано, Якуб Kedziersk, Xuejue Хуан, Леланд Чанг, Ник Lindert , Шибли Ахмед и Сайрус Табери. Команда изготовила устройства FinFET до 17  нм техпроцесса в 1998 году, а затем 15  нм в 2001 году. В 2002 году группа, в которую входили Ю, Чанг, Ахмед, Ху, Лю, Бокор и Табери, изготовила устройство FinFET на 10  нм . [15]

В 2005 году индийские физики Прабхакар Бандару и Аппарао М. Рао из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали самый маленький в мире транзистор, полностью сделанный из углеродных нанотрубок . Он был предназначен для использования в наносхемах. Нанотрубки представляют собой свернутые листы атомов углерода и более чем в тысячу раз тоньше человеческого волоса. [20] В 2006 году группа корейских исследователей из Корейского передового института науки и технологий (KAIST) и Национального центра Nano Fab Center разработала 3-нм полевой МОП-транзистор, самое маленькое в мире наноэлектронное устройство, основанное на универсальном затворе (GAA ) Технология FinFET. [21] [22]

Обычно в схемах используются транзисторы на основе кремния , но вместо них предназначены углеродные нанотрубки. Транзистор имеет две разные ветви, которые встречаются в одной точке, что придает ему Y-образную форму. Ток может течь по обеим ветвям и управляется третьей ветвью, которая включает или выключает напряжение. Этот новый прорыв может позволить наносхемам полностью сохранить свое название, поскольку они могут быть полностью сделаны из нанотрубок. До этого открытия в логических схемах использовались нанотрубки, но для управления прохождением электрического тока требовались металлические вентили .

Возможно, наибольшее потенциальное применение наносхем связано с компьютерами и электроникой. Ученые и инженеры всегда стремятся сделать компьютеры быстрее. Некоторые думают, что в ближайшем будущем мы могли бы увидеть гибриды микро- и нано-: кремния с наноядром - возможно, компьютерной памяти высокой плотности, которая сохраняет свое содержимое навсегда. [23] В отличие от традиционного схемотехнического проектирования, которое переходит от чертежа к фотографическому образцу и к микросхеме, проектирование наносистемы, вероятно, будет начинаться с микросхемы - случайного нагромождения целых 1024 компонентов и проводов, не все из которых даже будут работать - и постепенно вылепить это в полезное устройство. [24] Вместо традиционного нисходящего подходаподход снизу вверх , вероятно, скоро придется принять из-за огромных размеров этих наносхем. Не все в схеме, вероятно, будет работать, потому что на наноуровне наносхемы будут более дефектными и неисправными из-за своей компактности. Ученые и инженеры создали все основные компоненты наносхем, такие как транзисторы, логические вентили и диоды. Все они были построены из органических молекул , углеродных нанотрубок и полупроводников с нанопроволокой. Осталось только найти способ устранить ошибки, которые возникают в таком маленьком устройстве, и наносхемы станут средством всей электроники. Однако в конечном итоге будет предел того, насколько маленькими могут стать наносхемы, а компьютеры и электроника достигнут своих равновесных скоростей.

См. Также [ править ]

  • Закон Мура
  • Нанотехнологии
  • История нанотехнологий
  • Список приложений нанотехнологий
  • Последствия нанотехнологий

Ссылки [ править ]

  1. ^ Colinge, J., Multiple-вентильная КНИ МОПтранзисторы, полупроводниковая электроника 48, 2004
  2. ^ Патент США 6740910
  3. ^ Патент США 6,566,704
  4. ^ Патент США 7,135,728
  5. ^ Стокс, Джон. « Понимание закона Мура », «ars technica», 20 февраля 2003 г. Проверено 23 марта 2007 г.
  6. ↑ Патч, Кимберли. « Дизайн справляется с ненадежными наносхемами », «TRN», 2003-03-26. Проверено 23 марта 2007 г.
  7. ↑ Патч, получено 23 марта 2007 г.
  8. ^ Ред. Scientific American, Understanding Nanotechnology (Нью-Йорк: Warner Books, 2002) с.93.
  9. ^ Pescovitz, Дэвид. « Nanowires со встроенным транзисторах Архивные 2007-08-03 в Wayback Machine », "Boing Boing", 2004-07-01. Проверено 23 марта 2007 года.
  10. ^ Ред. Scientific American, 93.
  11. ↑ Патч, получено 23 марта 2007 г.
  12. ^ Зи, Саймон М. (2002). Полупроводниковые приборы: физика и технология (PDF) (2-е изд.). Вайли . п. 4. ISBN 0-471-33372-7.
  13. Перейти ↑ Pasa, André Avelino (2010). «Глава 13: Металлический транзистор на основе нанослоя» . Справочник по нанофизике: наноэлектроника и нанофотоника . CRC Press . С. 13–1, 13–4. ISBN 9781420075519.
  14. ^ Давари, Биджан ; Тинг, Чунг-Ю; Ahn, Kie Y .; Basavaiah, S .; Ху, Чао-Кун; Таур, Юань; Wordeman, Matthew R .; Aboelfotoh, O .; Крусин-Эльбаум, Л .; Джоши, Раджив В .; Полкари, Майкл Р. (1987). «Субмикронный МОП-транзистор с вольфрамовым затвором и оксидом затвора 10 нм» . 1987 Симпозиум по технологии СБИС. Сборник технических статей : 61–62.
  15. ↑ a b Цу-Джэ Кинг, Лю (11 июня 2012 г.). «FinFET: история, основы и будущее» . Калифорнийский университет в Беркли . Краткий курс симпозиума по технологии СБИС . Дата обращения 9 июля 2019 .
  16. ^ Colinge, JP (2008). FinFET и другие многозатворные транзисторы . Springer Science & Business Media. п. 11. ISBN 9780387717517.
  17. ^ Хисамото, D .; Кага, Т .; Kawamoto, Y .; Такеда, Э. (декабрь 1989 г.). «Полностью обедненный транзистор с обедненным каналом (ДЕЛЬТА) - новый вертикальный ультратонкий КНИ МОП-транзистор». Встреча Международного технического сборника электронных устройств : 833–836. DOI : 10.1109 / IEDM.1989.74182 .
  18. ^ "Получатели премии Эндрю С. Гроув IEEE" . Премия IEEE Эндрю С. Гроув . Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике . Дата обращения 4 июля 2019 .
  19. ^ «Прорывное преимущество для ПЛИС с технологией Tri-Gate» (PDF) . Intel . 2014 . Дата обращения 4 июля 2019 .
  20. ↑ « Индийцы делают самый крошечный транзистор в мире », «SiliconIndia», 2005-09-06. Проверено 23 марта 2007 года.
  21. ^ "Still Room at the Bottom (нанометровый транзистор, разработанный Ян-кю Чой из Корейского передового института науки и технологий)" , Nanoparticle News , 1 апреля 2006 г., заархивировано из оригинала 6 ноября 2012 г. , получено 24 сентября 2019 г.
  22. ^ Ли, Hyunjin; и другие. (2006), "Sub-5nm All-Around Gate FinFET для Окончательной Scaling", Симпозиум по технологии СБИС, 2006 : 58-59, DOI : 10,1109 / VLSIT.2006.1705215 , ЛВП : 10203/698 , ISBN 978-1-4244-0005-8
  23. ^ Ред. Scientific American, 93.
  24. ^ Ред. Scientific American, 94.