![Page 1: Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062408/56813521550346895d9c840c/html5/thumbnails/1.jpg)
Микроминиатюризация Микроминиатюризация и приборы и приборы
наноэлектроники..наноэлектроники..
Гудкина А.А.Льдинина О.С.Голованова А.С.21302
![Page 2: Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062408/56813521550346895d9c840c/html5/thumbnails/2.jpg)
Микроминиатюризация МДП – приборовМикроминиатюризация МДП – приборов
Полевые приборы со структурой металл - диэлектрик - Полевые приборы со структурой металл - диэлектрик - полупроводник в силу универсальности характеристик полупроводник в силу универсальности характеристик нашли широкое применение в интегральных схемах (ИС). нашли широкое применение в интегральных схемах (ИС). Одна из основных задач микроэлектроники заключается в Одна из основных задач микроэлектроники заключается в повышении степени интеграции и быстродействия повышении степени интеграции и быстродействия интегральных схем. Для ИС на МДП-приборах благодаря интегральных схем. Для ИС на МДП-приборах благодаря чрезвычайно гибкой технологии их изготовления эта задача чрезвычайно гибкой технологии их изготовления эта задача решается несколькими путями. В основе одного из решается несколькими путями. В основе одного из подходов лежит принцип двойной диффузии. Эта подходов лежит принцип двойной диффузии. Эта технология получила название К-МОП технологии, когда технология получила название К-МОП технологии, когда структура имеет планарный характер, и V-МОП технологии, структура имеет планарный характер, и V-МОП технологии, когда структура транзистора имеет вертикальный характер. когда структура транзистора имеет вертикальный характер. Другой подход связан с пропорциональной Другой подход связан с пропорциональной микроминиатюризацией обычного планарного МДП-микроминиатюризацией обычного планарного МДП-транзистора и получил название высококачественной, или транзистора и получил название высококачественной, или
Н-МОП, технологии.Н-МОП, технологии.
![Page 3: Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062408/56813521550346895d9c840c/html5/thumbnails/3.jpg)
МДП - структураМДП - структура
![Page 4: Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062408/56813521550346895d9c840c/html5/thumbnails/4.jpg)
Эволюция базовых элементов кремниевых интегральных схем
![Page 5: Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062408/56813521550346895d9c840c/html5/thumbnails/5.jpg)
Длина канала Длина канала L, L, мкммкм 66 66 3,53,5 22 NN-1-1
Поперечная диффузия Поперечная диффузия LLDD, мкм, мкм 1,41,4 1,41,4 0,60,6 0,40,4 NN-1-1
Глубина Глубина p-n p-n переходовпереходов x, x, мкммкм 2,02,0 2,02,0 0,80,8 0,80,8 NN-1-1
Толщина затворного окисла Толщина затворного окисла ddoxox, ,
мкммкм0,120,12 0,120,12 0,070,07 0,040,04 NN-1-1
Напряжение питания Напряжение питания VVпитпит, В, В 4-154-15 4-84-8 3-73-7 2-42-4 NN-1-1
Минимальная задержка вентиля Минимальная задержка вентиля ττ, нс, нс
12-1512-15 44 11 0,50,5 NN-1-1
Мощность на вентиль Мощность на вентиль P, P, мВтмВт 1,51,5 11 11 0,40,4 NN-2-2
Произведение быстродействия Произведение быстродействия на мощность, пДжна мощность, пДж
1818 44 11 0,20,2 NN-3-3
Эволюция размеров и микроминиатюризация параметров МДП-приборов
Параметр прибора
n-МОП с обогащен-ной нагрузкой1972
n-МОП с обеднен-ной нагрузкой1976
Высоко-качест-венный МОП1979
МОП
1980
Коэффи-циент изменения
![Page 6: Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062408/56813521550346895d9c840c/html5/thumbnails/6.jpg)
40044004 19711971 2 2502 250 10 мкм10 мкм 108 kHz108 kHz
80088008 19721972 2 5002 500 10 мкм10 мкм 200 200 kHzkHz
80808080 19741974 5 0005 000 6 мкм6 мкм 22 MHzMHz
80868086 19781978 29 00029 000 3 мкм3 мкм 5-10 MHz5-10 MHz
286286 19821982 120 000120 000 1,5 мкм1,5 мкм 6-12,5 MHz6-12,5 MHz
386386 19851985 275 000275 000 1,5-1 мкм1,5-1 мкм 16-33 MHz16-33 MHz
486486DXDX 19891989 1 180 0001 180 000 1-0,6 мкм1-0,6 мкм 25-25-100100 MHz MHz
PentiumPentium 19931993 3 100 0003 100 000 0,8-0,35 мкм0,8-0,35 мкм 60-200 MHz60-200 MHz
Pentium IIPentium II 19971997 7 500 0007 500 000 0,35-0,25 мкм0,35-0,25 мкм 233-450 MHz233-450 MHz
Pentium IIIPentium III 19991999 24 000 00024 000 000 0,25-0,13 мкм0,25-0,13 мкм 450-1300 MHz450-1300 MHz
Pentium 4Pentium 4 20002000 42 000 00042 000 000 0,18-0,13 мкм0,18-0,13 мкм >1400 MHz>1400 MHz
Микроминиатюризация процессоров IntelМодель Год выпускаТранзисторы Тактовая частотаТех.процесс
![Page 7: Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062408/56813521550346895d9c840c/html5/thumbnails/7.jpg)
Динамическое уменьшение размеров транзистора при пропорциональной микроминиатюризации
1970 1980 1990 2000 2010 2020
0,01
0,1
1
10
Длинаканала,мкм
![Page 8: Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062408/56813521550346895d9c840c/html5/thumbnails/8.jpg)
Уменьшение длины канала
19931993 0,500,50 0,500,50
19951995 0,350,35 0,350,35
19971997 0,250,25 0,200,20
19991999 0,180,18 0,130,13
20012001 0,130,13 0,070,07
20032003 0,100,10 0,050,05
20052005 0,070,07 0,030,03
Год Тех.процессДлина затвора
![Page 9: Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062408/56813521550346895d9c840c/html5/thumbnails/9.jpg)
Микроминиатюризация процессоров Intel
![Page 10: Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062408/56813521550346895d9c840c/html5/thumbnails/10.jpg)
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.
![Page 11: Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062408/56813521550346895d9c840c/html5/thumbnails/11.jpg)
Физические ограничения микроминиатюризации
Предельно допустмые значения параметров и основные физические ограничения
Минимальная величина одного элемента, 0,03 нм
Статистические флуктуации легирования подложки, разрешение фоторезиста, космические лучи и радиоактивность, конечная ширина p-n перехода
Толщина подзатворного диэлектрика, 2,3 нм
Туннельные токи через диэлектрик
Минимальное напряжение питания 0,025 В
Тепловой потенциал kT/q
Минимальная плотность тока, 10-6 А/см2
Дискретность заряда электрона, флуктуации встроенного заряда
Минимальная мощность, 10-12 Вт/элемент при f=1 кГц
Шумы, тепловая энергия, диэлектрическая постоянная
Предельное быстродействие, 0,03 нс
Скорость света
Параметр Физическое ограничение
![Page 12: Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062408/56813521550346895d9c840c/html5/thumbnails/12.jpg)
Параметр Физическое ограничение
Максимальное напряжение питания
Пробой подзатворного диэлектрика, смыкания областей истока и стока
Максимальное легирование подложки
Туннельный пробой p-n перехода стока
Максимальная плотность тока
Электромиграция, падения напряжения на паразитных сопротивлениях контактов
Максимальная мощность
Теплопроводность подложки и компонентов схемы
Количество элементов на кристалл, 109
Совокупность всех ранее перечисленных ограничений
![Page 13: Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062408/56813521550346895d9c840c/html5/thumbnails/13.jpg)
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.
![Page 14: Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062408/56813521550346895d9c840c/html5/thumbnails/14.jpg)
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.
![Page 15: Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062408/56813521550346895d9c840c/html5/thumbnails/15.jpg)
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.
![Page 16: Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062408/56813521550346895d9c840c/html5/thumbnails/16.jpg)
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
![Page 17: Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062408/56813521550346895d9c840c/html5/thumbnails/17.jpg)
Полупроводниковые квантовые компьютеры на 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.
![Page 18: Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062408/56813521550346895d9c840c/html5/thumbnails/18.jpg)
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.
![Page 19: Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062408/56813521550346895d9c840c/html5/thumbnails/19.jpg)
Полупроводниковые квантовые компьютеры на 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)
![Page 20: Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062408/56813521550346895d9c840c/html5/thumbnails/20.jpg)
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.
Leda, 28-кубитовый чип D-Wave
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.