Наносхемотехника
| Часть серии статей о |
| Наноэлектроника |
|---|
| Одномолекулярная электроника |
| Твердотельная наноэлектроника |
| Связанные подходы |
| Порталы |
 Портал электроники |
Наносхемы — это электрические схемы, работающие в нанометровом масштабе, где квантово-механические эффекты становятся важными. Один нанометр равен 10 −9 метров или ряд из 10 атомов водорода. Благодаря таким постепенно уменьшающимся схемам на компьютерном чипе можно разместить больше. Это позволяет выполнять более быстрые и сложные функции, используя меньше энергии. Наносхемы состоят из трех различных фундаментальных компонентов. Это транзисторы , межсоединения и архитектура — все они изготовлены в нанометровом масштабе.
Различные подходы к наносхемам
[ редактировать ]Было сделано множество предложений по реализации наносхем в различных формах. К ним относятся нанопровода , одноэлектронные транзисторы , клеточные автоматы с квантовыми точками и наномасштабные перекрестные защелки . Однако, вероятные ближайшие подходы будут включать в себя использование наноматериалов для улучшения МОП-транзисторов (полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник). В настоящее время они составляют основу большинства аналоговых и цифровых схем, масштабирование которых регулируется законом Мура . Обзорная статья [1] В 2004 году было опубликовано описание конструкции МОП-транзистора и его будущего, в котором сравнивались различные геометрии МОП-транзисторов при уменьшении масштаба, и отмечалось, что полевые транзисторы с вертикальным каналом круглого сечения оптимальны для уменьшения масштаба. Эту конфигурацию можно реализовать с высокой плотностью с использованием вертикальных полупроводниковых цилиндрических каналов наноразмерного диаметра, и Infineon Technologies и Samsung начали исследования и разработки в этом направлении, в результате чего было получено несколько базовых патентов. [2] [3] использование нанопроволок и углеродных нанотрубок в конструкциях МОП-транзисторов. В альтернативном подходе [4] Nanosys использует процессы осаждения и выравнивания на основе растворов для формирования предварительно изготовленных массивов нанопроводов на подложке, которые служат боковым каналом полевого транзистора. Хотя использование предварительно изготовленных нескольких нанопроволок для канала не обеспечивает такой же масштабируемости, как полевые транзисторы с одной нанопроволокой, использование предварительно изготовленных нескольких нанопроволок для канала повышает надежность и снижает производственные затраты, поскольку могут использоваться процессы печати больших объемов для нанесения нанопроволок при более низкой температуре, чем традиционные процедуры изготовления. Кроме того, из-за более низкой температуры осаждения в качестве несущей подложки для транзисторов можно использовать более широкий спектр материалов, таких как полимеры, открывающие двери для гибких электронных приложений, таких как электронная бумага, сгибаемые плоские дисплеи и солнечные элементы большой площади.
Методы производства
[ редактировать ]Одной из наиболее фундаментальных концепций понимания наносхем является формулировка закона Мура . Эта концепция возникла, когда соучредитель Intel Гордон Мур заинтересовался стоимостью транзисторов и попытался уместить больше транзисторов на одном чипе. Это связано с тем, что количество транзисторов, которые можно изготовить на кремниевой интегральной схеме, а, следовательно, и 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 можно было разместить на чипе. Как бы хорошо это ни звучало, при компоновке такого количества транзисторов возникает множество проблем. Поскольку схемы настолько малы, у них, как правило, больше проблем, чем у более крупных схем, в частности, с нагревом - количество энергии, подаваемой на меньшую площадь поверхности, затрудняет рассеивание тепла, это избыточное тепло приведет к ошибкам и может разрушить чип. Наноразмерные схемы более чувствительны к изменениям температуры, космическим лучам и электромагнитным помехам, чем сегодняшние схемы. [6] По мере того, как все больше транзисторов упаковывается в чип, такие явления, как паразитные сигналы на чипе, необходимость рассеивать тепло от такого большого количества плотно расположенных устройств, туннелирование через изоляционные барьеры из-за небольшого размера, а также трудности изготовления, остановят или серьезно замедлят прогресс. . [7] Наступит время, когда стоимость создания схем еще меньшего размера станет слишком высокой, а скорость компьютеров достигнет максимума. По этой причине многие ученые полагают, что закон Мура не будет действовать вечно и скоро достигнет своего пика, поскольку закон Мура во многом основан на вычислительных достижениях, вызванных усовершенствованием технологий микролитографического травления.
В производстве 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 цепей, поскольку они контролируют поток электричества и преобразуют слабые электрические сигналы в сильные. Они также контролируют электрический ток, поскольку могут его отключать или даже усиливать сигналы. В настоящее время в схемах в качестве транзистора используется кремний, поскольку его можно легко переключать между проводящим и непроводящим состояниями. Однако в наноэлектронике транзисторы могут представлять собой органические молекулы или наноразмерные неорганические структуры. [8] Полупроводники , входящие в состав транзисторов, также изготавливаются из органических молекул в наносостоянии.
Второй аспект организации наносхем — взаимосвязь. Это включает в себя логические и математические операции, а также провода, соединяющие транзисторы вместе, которые делают это возможным. В наносхемах нанотрубки для соединения транзисторов вместе используются и другие провода шириной до одного нанометра. Нанопроволоки изготавливаются из углеродных нанотрубок уже несколько лет. Еще несколько лет назад транзисторы и нанопровода соединялись вместе для создания схемы. Однако ученым удалось создать нанопровод с транзисторами. В 2004 году пионер нанотехнологий из Гарвардского университета Чарльз Либер и его команда создали нанопроволоку — в 10 000 раз тоньше листа бумаги — содержащую цепочку транзисторов. [9] По сути, транзисторы и нанопровода уже предварительно подключены, чтобы исключить сложную задачу по соединению транзисторов вместе с помощью нанопроводов.
Последняя часть организации наносхем — это архитектура. Это объясняется общим способом соединения транзисторов между собой, так что схема может подключаться к компьютеру или другой системе и работать независимо от деталей более низкого уровня. [10] Поскольку наносхемы настолько малы, они обречены на ошибки и дефекты. Ученые придумали способ обойти эту проблему. Их архитектура сочетает в себе схемы с резервными логическими элементами и соединениями с возможностью реконфигурации структур на нескольких уровнях кристалла. [11] Избыточность позволяет схеме выявлять проблемы и переконфигурировать себя, чтобы схема могла избежать новых проблем. Это также допускает ошибки внутри логического элемента и при этом обеспечивает его правильную работу, не выдавая неправильный результат.
Экспериментальные прорывы и потенциальные применения
[ редактировать ]В 1987 году исследовательская группа IBM под руководством Биджана Давари продемонстрировала полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) с толщиной оксида затвора 10 нм , используя вольфрамового затвора. технологию [12] Многозатворные МОП-транзисторы позволили масштабировать менее 20 нм длину затвора , начиная с FinFET (ребристый полевой транзистор), трехмерного непланарного полевого МОП-транзистора с двойным затвором. [13] FinFET возник в результате исследования Дига Хисамото из Центральной исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году. [14] [15] [16] [17] В Калифорнийском университете в Беркли устройства FinFET были изготовлены группой, состоящей из Хисамото вместе с TSMC из Ченмином Ху и другими международными исследователями, в том числе Цу-Дже Кинг Лю , Джеффри Бокором , Хидеки Такеучи, К. Асано, Якубом Кедзерском, Сюэцзюэ Хуангом, Лиландом Чангом. , Ник Линдерт, Шибли Ахмед и Сайрус Табери. Команда изготовила устройства FinFET по техпроцессу 17 нм 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 по техпроцессу 10 нм . [13]
В 2005 году индийские физики Прабхакар Бандару и Аппарао М. Рао из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали самый маленький в мире транзистор, полностью изготовленный из углеродных нанотрубок . Он предназначался для использования в наносхемах. Нанотрубки представляют собой свернутые листы атомов углерода и более чем в тысячу раз тоньше человеческого волоса. [ нужна ссылка ] В 2006 году группа корейских исследователей из Корейского института передовых наук и технологий (KAIST) и Национального центра нанотехнологий разработала 3-нм МОП-транзистор, самое маленькое в мире наноэлектронное устройство, основанное на с круговым затвором технологии FinFET (GAA). . [18] [19]
Обычно в схемах используются кремниевые транзисторы, но их заменят 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 контролируется третьей ветвью, которая включает или выключает напряжение. Этот новый прорыв теперь может позволить наносхемам полностью сохранить свое название, поскольку они могут быть сделаны полностью из нанотрубок. До этого открытия в логических схемах использовались нанотрубки, но для управления потоком электрического тока требовались металлические затворы .
Возможно, самое большое потенциальное применение наносхем связано с компьютерами и электроникой. Ученые и инженеры всегда стремятся сделать компьютеры быстрее. Некоторые полагают, что в ближайшем будущем мы сможем увидеть гибриды микро- и нано- кремния с нано-ядром — возможно, компьютерной памяти высокой плотности, которая сохраняет свое содержимое навсегда. [20] В отличие от обычного проектирования схем, которое начинается с чертежа, затем фотографического рисунка и чипа, проектирование наносхем, вероятно, начнется с чипа — беспорядочной мешанины из 1024 компонентов и проводов, не все из которых даже будут работать, — и постепенно превратит его в полезный аппарат. [21] Вместо традиционного подхода «сверху вниз» , «снизу вверх» вероятно, вскоре придется принять подход из-за огромного размера 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 элементы и диоды. Все они были построены из органических молекул , углеродных нанотрубок и нанопроводов-полупроводников. Единственное, что осталось сделать, это найти способ устранить ошибки, которые возникают в таком маленьком устройстве, и наносхемы станут основой всей электроники. Однако в конечном итоге наступит предел тому, насколько маленькими могут стать наносхемы, а компьютеры и электроника достигнут своих равновесных скоростей.
См. также
[ редактировать ]- Закон Мура
- Нанотехнологии
- История нанотехнологий
- Список приложений нанотехнологий
- Последствия нанотехнологий
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Колинг, Дж., КНИ МОП-транзисторы с несколькими затворами, Твердотельная электроника 48, 2004 г.
- ^ Патент США 6740910.
- ^ Патент США 6 566 704.
- ^ Патент США 7 135 728.
- ^ Стоукс, Джон. « Понимание закона Мура », «ars technica», 20 февраля 2003 г. Проверено 23 марта 2007 г.
- ^ Патч, Кимберли. « Дизайн обрабатывает сомнительные наносхемы », «TRN», 26 марта 2003 г. Проверено 23 марта 2007 г.
- ^ Патч, получено 23 марта 2007 г.
- ^ Ред. Scientific American, «Понимание нанотехнологий» (Нью-Йорк: Warner Books, 2002), стр.93.
- ^ Песковиц, Дэвид. « Нанопровода со встроенными транзисторами. Архивировано 3 августа 2007 г. в Wayback Machine », «boing boing», 1 июля 2004 г. Проверено 23 марта 2007 г.
- ^ Ред. Научный Американ, 93.
- ^ Патч, получено 23 марта 2007 г.
- ^ Давари, Бижан ; Тинг, Чунг-Ю; Ан, Ки Ю.; Басавая, С.; Ху, Чао-Кун; Таур, Юань; Уордеман, Мэтью Р.; Абоэльфото, О.; Крусин-Эльбаум, Л.; Джоши, Раджив В.; Полкари, Майкл Р. (1987). «Субмикронный полевой МОП-транзистор с вольфрамовым затвором и оксидом затвора 10 нм» . Симпозиум 1987 года по технологии СБИС. Сборник технических статей : 61–62.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Цу-Джэ Кинг, Лю (11 июня 2012 г.). «ФинФЭТ: история, основы и будущее» . Калифорнийский университет в Беркли . Симпозиум по кратким курсам технологий СБИС . Проверено 9 июля 2019 г.
- ^ Колиндж, JP (2008). FinFET и другие многозатворные транзисторы . Springer Science & Business Media. п. 11. ISBN 9780387717517 .
- ^ Хисамото, Д.; Кага, Т.; Кавамото, Ю.; Такеда, Э. (декабрь 1989 г.). «Полностью обедненный транзистор с обедненным каналом (DELTA) - новый вертикальный сверхтонкий SOI MOSFET». Международный технический дайджест по электронным устройствам . стр. 833–836. дои : 10.1109/IEDM.1989.74182 . S2CID 114072236 .
- ^ «Получатели премии IEEE Эндрю С. Гроува» . Премия IEEE Эндрю С. Гроува . Институт инженеров электротехники и электроники . Проверено 4 июля 2019 г.
- ^ «Прорывное преимущество ПЛИС с технологией Tri-Gate» (PDF) . Интел . 2014 . Проверено 4 июля 2019 г.
- ^ «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.
- ^ Ли, Хёнджин; и др. (2006). «Универсальный FinFET-транзистор суб-5 нм для максимального масштабирования». Симпозиум 2006 г. по технологии СБИС, 2006 г. Сборник технических статей . стр. 58–59. дои : 10.1109/VLSIT.2006.1705215 . hdl : 10203/698 . ISBN 978-1-4244-0005-8 . S2CID 26482358 .
- ^ Ред. Научный Американ, 93.
- ^ Ред. «Сайентифик Американ», 94.