Некоторые перспективные направления развития транзисторной микроэлектроники
Производство транзисторов для СБИС в традиционном виде, то есть со стоком, истоком и затвором, предположительно возможно лишь до 2020-2025 гг.
К тому времени размеры всех элементов кремниевого транзистора достигнут атомарных размеров и уменьшать их дальше будет просто невозможно.
2020 год - это фактически рубеж, когда закон Мура перестанет действовать, а кремний потеряет свою актуальность как основной материал микроэлектроники (для СБИС).
Зако́н Му́ра — эмпирическое наблюдение, сделанное в 1965 году Гордоном Муром, Intel (через шесть лет после изобретения интегральной схемы) - число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца.
При анализе графика роста производительности запоминающих микросхем им была обнаружена закономерность (правило, закон): появление новых моделей микросхем наблюдалось примерно через одинаковые периоды времени (18-24 мес.).
При этом количество транзисторов в них возрастало каждый раз приблизительно вдвое.
При сохранении этой тенденции, мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени будет возрастать экспоненциально (рис.14.1).
В 2007 году Г. Мур заявил, что закон, очевидно, скоро перестанет действовать из-за атомарной природы вещества и ограничения скорости света.
Рис. 14.1 Иллюстрация закона Мура. Зависимость числа транзисторов на кристалле микропроцессора от времени.
На рис. 14.1 вертикальная ось имеет логарифмическую шкалу, то есть кривая соответствует экспоненциальному закону - количество транзисторов удваивается примерно каждые 2 года.
До недавнего времени постоянно уменьшались размеры элементов транзисторов пока толщина слоя оксида кремния (SiO2), используемого в транзисторе в качестве диэлектрика, не была доведена практически до минимума – 1,2 нм, т.е. всего 3-4 атомарных слоя.
От постоянного уменьшения геометрических размеров транзисторов (Intel) перешла также к изменению их прочих параметров, включая конструкцию и материал:
- был создан новый материал на основе гафния для подзатворного диэлектрика;
- разрабатывается модель с так называемым объемным, или трехмерным затвором, что позволит увеличить рабочий ток транзистора и одновременно снизить токи утечки;
- использование для изготовления транзисторов других материалов вместо кремния.
Например: антимонид индия (InSb) имеющий подвижность электронов в 50 раз выше, чем в кремнии, что сразу же дает колоссальный выигрыш по всем параметрам устройства.
- прорабатывается возможность использования нанотрубоки нанонитей, которые также исследуется в лабораториях Intel.
Уже сейчас и другие ведущие фирмы ищут принципиально новые материалы и технологии для создания транзисторов будущего.
В числе перспективных направлений исследованийрассматриваются:
- молекулярный транзистор;
- спиновый транзистор;
- графеновый транзистор;
- квантовый транзистор на основе интерференции волн;
- транзистор на квантовых точках;
- транзисторы на основе нанотрубок;
- ферроэлектрический транзистор и пр.
Пока невозможно представить, как именно будут выглядеть транзисторы через 15-20 лет, но весьма вероятно: это будут устройства с молекулярными размерами, абсолютно не похожие на существующие ныне CMOS-транзисторы.
Создание новых транзисторов, на иных физических принципах в настоящее время находится на стадии создания макетных образцов и лабораторных исследований.
Молекулярный транзистор
Теоретически для хранения бита информации подходит двухуровневая система, которую относительно легко можно перевести из одного состояния в другое.
Молекулярный транзистор - транзистор размером с одну молекулу, которая может существовать в двух устойчивых состояниях с разными физическими свойствами.
Еще в 1959 году Ричард Фейнман высказал идею - молекулы, обладающие определенными свойствами, смогут работать как элементарные переключатели и заменить собой транзисторы.
Размеры молекулярного транзистора будут на два порядка меньше самых миниатюрных кремниевых транзисторов, а его эффективность (снижение мощности переключения, увеличение рабочей частоты переключений) может оказаться в млрд. раз отличаться по сравнению с современным кремниевым транзистором.
Переводить молекулу из одного состояния в другое (“переключать”) можно с помощью различных полей – электромагнитного (светового и инфракрасного диапазонов), магнитного поля и т.д., т.е. формируя однобитную систему, воспроизводящую на молекулярном уровне функцию классического ключевого транзистора.
Веществ, молекулы которых, могут менять свою структуру при определенном физико-химическом воздействии, известно достаточно.
Например:
-спиробензопирены «переключаются» в другое состояние под действием ультрафиолета, а обратно - с помощью обычного света.
- молекулярный транзистор из тиона.
Тионы - органические вещества со свойствами полупроводников.
Bell Labs (2001 г) получила органическую молекулярную структуру с двумя устойчивыми состояниями, “преобразующую” логический ноль в единицу и обратно.
Размер канала этого органического транзистора равен длине одной молекулы (1-2 нм).
Молекулярный транзистор (промышленный) - 2020-2025 гг???.
Cпиновый транзистор
Иан Аппельбаум (Делавэрский университет, США), 2007г.
Спин электрона (собственный момент количества движения) - это внутренняя характеристика электрона, имеющая квантовую природу и не зависящая от движения электрона.
Спин электрона может находиться в одном из двух состояний — либо «спин-вверх» (направление спина совпадает с направлением намагниченности магнитного материала), либо «спин-вниз» (спин и намагниченность разнонаправлены).
Электроны в веществе в среднем неполяризованы - электронов со спином вверх и со спином вниз примерно поровну.
Для получения достаточно сильного спинового тока необходимо поляризовать спины, упорядочив их в одном направлении.
Кроме того необходимо чтобы время жизни спина (время, в течение которого направление спина не меняется) было достаточно большим для передачи электрона на нужные расстояния.
Для манипуляции спиновыми свойствами, характеризующимися направлением спина и временем его жизни, необходимо использовать внешнее магнитное поле.
Спиновый транзистор будет обладать высокой скоростью реагирования на управляющий сигнал и потреблять значительно меньше энергии, чем устройства традиционной электроники.
Достоинства:
- переворот спина, в отличие от перемещения заряда, практически не требует затрат энергии;
- в промежутках между операциями спинтронное устройство отключается от источника питания;
- при изменении направления спина кинетическая энергия электрона не меняется, и значит, тепла почти не выделяется;
- скорость изменения положения спина (переворот спина) осуществляется за несколько пикосекунд.
Графеновый полевой транзистор — FET транзистор из графена.
Открытый в 2004 году наноматериал под названием графен(Graphene) сформирован из "сотовой" решётки атомов углерода атомарной толщины.
Андрей Гейм, Константин Новоселов - лауреаты Нобелевской премии в области физики за 2010 год за создание графена.
Отличительное свойство графена – рекордно высокая подвижность носителей (электронов, и дырок).
Этот материал перспективен для достижения высоких рабочих частот, до 100 ГГц (корпорации IBM) и в перспективе – вплоть до терагерца.
СВЧ транзисторы на основе дорогих полупроводниковых материалов – фосфида индия или арсенида галлия – имеют аналогичные характеристики.