Наносхемотехника - Nanocircuitry

Часть серии статей о
Наноэлектроника
Одномолекулярная электроника
Твердотельная наноэлектроника
Связанные подходы
  • Приложения Nuvola kalzium.svg Научный портал
  • Nuvola apps ksim.png Электронный портал
  • Telecom-icon.svg Технологический портал

Наносхемы электрические схемы, работающие в нанометровом масштабе. Это хорошо в квантовая сфера, где квантово-механические эффекты становятся очень важными. Один нанометр равно 10−9 метров или ряд 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, взаимосвязи, и архитектура, все изготовлено в нанометровом масштабе.

Различные подходы к нанотехнике

Было высказано множество предложений по реализации наносхем в различных формах. К ним относятся Нанопровода, Одноэлектронные транзисторы, Клеточные автоматы с квантовыми точками, и наномасштаб Защелки на перекладине. Однако вероятные более близкие подходы будут включать использование наноматериалов для улучшения МОП-транзисторы (полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник). В настоящее время они составляют основу большинства аналоговых и цифровых схем, масштабирование которых приводит к 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 помощью нанопровода и углеродные нанотрубки в конструкциях MOSFET. В альтернативном подходе[4] Nanosys использует 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 процессы печати большого объема могут использоваться для нанесения нанопроволок при более низкой температуре, чем традиционные процедуры изготовления. Кроме того, из-за более низкой температуры осаждения более широкий спектр материалов, таких как полимеры, может быть использован в качестве несущей подложки для транзисторов, открывающих двери для гибких электронных приложений, таких как электронная бумага, гибкие плоские дисплеи и солнечные элементы большой площади.

Методы производства

Одна из самых фундаментальных концепций для понимания наноцепей - это формулировка Закон 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 уместить 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. Наноуровневые схемы более чувствительны к изменениям температуры, космические лучи и электромагнитный помех, чем сегодняшние схемы.[6] По мере того как в микросхеме помещается все больше транзисторов, такие явления, как паразитные сигналы на микросхеме, необходимость рассеивания тепла от стольких плотно упакованных устройств, туннелирование через изоляционные барьеры из-за небольшого размера и трудности изготовления будут останавливать или сильно замедлять прогресс .[7] Наступит время, когда затраты на создание схем еще меньше будут слишком высоки, 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 выключить или даже усилить сигналы. В схемах теперь используется кремний в качестве транзистора, потому что его можно легко переключать между проводящим и непроводящим состояниями. Однако в наноэлектроника транзисторы могут быть органическими молекулами или наноразмерными неорганическими структурами.[8] Полупроводники, которые являются частью транзисторов, также состоят из органических молекул в нано-состоянии.

Второй аспект организации наносистемы - это взаимосвязь. Это включает в себя логические и математические операции и провода, соединяющие транзисторы вместе, что делает это возможным. В наноцепях нанотрубки а другие провода шириной в один нанометр используются для соединения транзисторов. Нанопровода были сделаны из углеродных нанотрубок в течение нескольких лет. Еще несколько лет назад для создания схемы были собраны транзисторы и нанопровода. 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 объединяет схемы, которые имеют логические ворота и межсоединения с возможностью реконфигурировать структуры на нескольких уровнях на кристалле.[11] Резервирование 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 ошибочного результата.

Экспериментальные открытия и потенциальные применения

Дальнейшая информация: Наноэлектроника и История нанотехнологий

В 1960 году египетский инженер Мохамед Аталла и корейский инженер Давон Канг в Bell Labs сфабрикованный первый МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) с оксид ворот толщина 100 нм вместе с ворота длина 20 мкм.[12] В 1962 году Аталла и Канг изготовили нанослой -основание переход металл – полупроводник (Перекресток M – S) транзистор что использовал золото (Au) тонкие пленки толщиной 10 нм.[13]

В 1987 году иранский инженер Биджан Давари привел IBM исследовательская группа, которая продемонстрировала первый MOSFET с 10 нм толщина оксида затвора, используя вольфрам -вратная технология.[14] Многозатворные полевые МОП-транзисторы включено масштабирование ниже 20 нм длина ворот, начиная с FinFET (плавниковый полевой транзистор), трехмерный непланарный МОП-транзистор с двумя затворами.[15] FinFET возник в результате исследования Дай Хисамото в Центральная исследовательская лаборатория Hitachi в 1989 г.[16][17][18][19] В Калифорнийский университет в Беркли, Устройства FinFET были изготовлены группой, состоящей из Hisamoto и TSMC с Ченмин Ху и других международных исследователей, включая Цу-Джэ Кинг Лю, Джеффри Бокор, Хидеки Такеучи, К. Асано, Якуб Кедзерск, Сюэдзюэ Хуанг, Леланд Чанг, Ник Линдерт, Шибли Ахмед и Сайрус Табери. Команда изготовила устройства FinFET до 17 нм процесс 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 10 нм Устройство FinFET.[15]

В 2005 году индийские физики Прабхакар Бандару и Аппарао М. Рао в Калифорнийский университет в Сан-Диего разработал самый маленький в мире транзистор, полностью состоящий из углеродные нанотрубки. Он был предназначен для использования в наноцепях. Нанотрубки представляют собой свернутые листы атомов углерода и более чем в тысячу раз тоньше человеческого волоса.[20] В 2006 году группа корейских исследователей из Корейский передовой институт науки и технологий (KAIST) и Национальный центр Nano Fab Center разработали 3 нм MOSFET, самый маленький в мире наноэлектроника устройство, основанное на круговой (GAA) Технология FinFET.[21][22]

Обычно в схемах используются кремний на основе транзисторов, 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 контролируется третьей ветвью, которая включает или выключает напряжение. Этот новый прорыв теперь может позволить наноцепям полностью сохранить свое название, поскольку они могут быть полностью сделаны из нанотрубок. До этого открытия логические схемы использовали нанотрубки, но нуждались в металлических затворах, чтобы иметь возможность контролировать поток электрический ток.

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-: кремний с наноядром - возможно, компьютерной памятью высокой плотности, которая сохраняет свое содержимое навсегда.[23] В отличие от традиционного проектирования схем, которое переходит от чертежа к фотографическому образцу и микросхеме, проектирование наносхем, вероятно, начнется с микросхемы - беспорядочного нагромождения целых 1024 компонентов и проводов, не все из которых даже будут работать, - и постепенно превратится в полезное устройство.[24] Вместо традиционного сверху вниз подход, вверх дном подход, вероятно, скоро придется принять из-за огромных размеров этих наноконтур. 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 Органические молекулы, углеродные нанотрубки и полупроводники с нанопроволокой. Осталось только найти способ устранить ошибки, которые возникают в таком маленьком устройстве, и наносхемы станут средством всей электроники. Однако, в конце концов, будет предел того, насколько маленькими могут стать наносхемы, а компьютеры и электроника достигнут своих равновесных скоростей.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Колинг Дж., КНИ МОП-транзисторы с несколькими затворами, Твердотельная электроника 48, 2004 г.
  2. ^ Патент США 6740910
  3. ^ Патент США 6,566,704
  4. ^ Патент США 7,135,728
  5. ^ Стоукс, 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, полученный 23 марта 2007 года.
  8. ^ Ред. Scientific American, Understanding Nanotechnology (Нью-Йорк: Warner Books, 2002) с.93.
  9. ^ Песковиц, Дэвид ».Нанопроволоки со встроенными транзисторами В архиве 2007-08-03 на Wayback Machine "," boing boing ", 1 июля 2004 г. Проверено 23 марта 2007 г.
  10. ^ Ред. Сайентифик Американ, 93.
  11. ^ Патч, полученный 23 марта 2007 года.
  12. ^ Зе, Саймон М. (2002). Полупроводниковые приборы: физика и технологии (PDF) (2-е изд.). Wiley. п. 4. ISBN  0-471-33372-7.
  13. ^ Паса, Андре Авелино (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. ^ а б Цу ‐ Джэ Кинг, Лю (11 июня 2012 г.). «FinFET: история, основы и будущее». Калифорнийский университет в Беркли. Симпозиум по технологии СБИС Краткий курс. Получено 9 июля 2019.
  16. ^ Колиндж, Дж. П. (2008). FinFET и другие транзисторы с несколькими затворами. Springer Science & Business Media. п. 11. ISBN  9780387717517.
  17. ^ Hisamoto, D .; Кага, Т .; Kawamoto, Y .; Такеда, Э. (декабрь 1989 г.). «Полностью обедненный транзистор с обедненным каналом (ДЕЛЬТА) - новый вертикальный ультратонкий КНИ МОП-транзистор». Международный технический дайджест по электронным устройствам: 833–836. Дои:10.1109 / IEDM.1989.74182.
  18. ^ «Получатели премии IEEE Andrew S. Grove Award». Премия IEEE Эндрю С. Гроув. Институт инженеров по электротехнике и электронике. Получено 4 июля 2019.
  19. ^ «Прорывное преимущество для ПЛИС с технологией Tri-Gate» (PDF). Intel. 2014. Получено 4 июля 2019.
  20. ^ “Индийцы делают самый крошечный транзистор в мире "," SiliconIndia ", 2005-09-06. Проверено 23 марта 2007 г.
  21. ^ «Тихая комната на дне (нанометровый транзистор, разработанный Ян-кю Чой из Корейского передового института науки и технологий)», Новости наночастиц, 1 апреля 2006 г., архивировано из оригинал 6 ноября 2012 г., получено 24 сентября 2019
  22. ^ Ли, Хёнджин; и другие. (2006), «Sub-5nm All-Around Gate FinFET для максимального масштабирования», Симпозиум по технологии СБИС, 2006 г.: 58–59, Дои:10.1109 / VLSIT.2006.1705215, HDL:10203/698, ISBN  978-1-4244-0005-8
  23. ^ Ред. Сайентифик Американ, 93.
  24. ^ Ред. Сайентифик Американ, 94.