Квантовые приборы

Добавлено 7 января 2017 в 08:30

Глава 2 - Теория твердотельных приборов

Большинство интегральных схем являются цифровыми и строятся на базе МОП (MOS, CMOS) транзисторов. Каждые два года, начиная с конца 1960-х годов, уменьшались размеры элементов, и увеличивалась плотность схем, тем самым давая возможность создавать более сложные схемы при тех же размерах и при меньшей стоимости. В 2004 году длина затвора МОП транзистора составляла 65 нм, в 2006 году – 45 нм. При технологии 65 нм токи утечки были заметны. Нововведения для перехода на 45 нм были необходимы для уменьшения этих утечек. В 2015 году компания Intel начала продажи 14-нм процессоров Celeron N3000, N3050, N3150 и Pentium N3700 (Braswell). На 2016 год компанией Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) был намечен серийный выпуск продукции по нормам 10 нм. Некоторые считают, что пределом является размер от 1-2 нм. Фотолитография и другие литографические технологии будут продолжать улучшаться, обеспечивая всё меньшие размеры.

Улучшенная фотолитография должна быть применена и к другим транзисторам, размеры которых составляют менее 20 нм. Токи утечки МОП транзисторов обусловлены квантово-механическими эффектами – туннелированием электронов через оксид затвора и через узкий канал. Таким образом, квантово-механические эффекты являются помехой для всех МОП транзисторов, которые меньше обычных. Использование всё более мелких устройств включает в себя уникальные активные устройства, которые на практике используют принципы квантовой механики. Поскольку физические размеры становятся очень маленькими, электроны могут рассматриваться как квантово-механический эквивалент: волна. Устройства, использующие принципы квантовой механики, включают в себя: резонансные туннельные диоды, квантовые туннельные транзисторы, диоды металл-диэлектрик-металл, квантовые точечные транзисторы.

Графеновый транзистор

Квантовое туннелирование: является прохождением электронов через изолирующий барьер, который является тонким по сравнению с длиной волны электрона де Бройля (Квантовая физика). Если «волна электрона» больше по сравнению с барьером, существует вероятность того, что волна появится по обе стороны барьера.

Преодоление электроном барьера. Классический взгляд и с точки зрения квантовой механики
Классический взгляд на преодоление (или непреодоление) электроном барьера. Взгляд с точки зрения квантовой механики допускает создание электроном туннеля через барьер. Вероятность (зеленая линия) связана с толщиной барьера.

В классической физике электрон должен обладать достаточной энергией, чтобы преодолеть барьер. В противном случае, он отскакивает от барьера (первый рисунок выше). Квантовая механика допускает вероятность того, что электрон окажется на другой стороне барьера. Если рассматривать электрон, как волну, то он может выглядеть довольно больше по сравнению с толщиной барьера. Даже при рассмотрении его, как волны, существует лишь небольшая вероятность того, что электрон окажется на другой стороне толстого барьера. Смотрите на зеленую кривую на втором рисунке выше. Уменьшение толщины барьера увеличивает вероятность того, что электрон окажется на другой его стороне.

Туннельный диод: термин туннельный диод относится к туннельному диоду Эсаки, одному из первых квантовых приборов. Диод с обратным смещением образует обедненную (изолирующую) область между проводящими анодом и катодом. Эта обедненная область очень тонка по сравнению с длиной волны электрона при сильном легировании (в 1000 раз больше по сравнению с легированием выпрямительного диода). При правильном смещении возможно квантовое туннелирование. Для более подробной информации смотрите главу 3.

Резонансный туннельный диод, RTD (resonant tunneling diode): Этот квантовый прибор не следует путать с туннельным диодом Эсаки, обычным сильно легированным биполярным полупроводником. В резонансном туннельном диоде электроны создают туннель, идущий от истока к стоку, через два потенциальных барьера, разделенных потенциальной ямой. Туннелирование также известно как квантово-механическое туннелирование. Поток электронов управляется смещением диода. Это соответствует соотношению энергетических уровней электронов в истоке и квантованного уровня внутри ямы, то есть возможности создавать электронами туннель через барьеры. Энергетический уровень ямы квантован, так как она мала. Когда энергетические уровни равны, возникает резонанс, позволяющий электронам протекать через барьеры, как показано на рисунке ниже (b).

Отсутствие смещения и слишком большое смещение, на рисунках ниже (a) и (c), соответственно, дают энергетическое несоответствие между истоком и ямой и, соответственно, отсутствие проводимости.

Резонансный туннельный диод (RTD)
Резонансный туннельный диод (RTD):
(a) Отсутствие смещения, энергетические уровни истока и ямы не совпадают, проводимость отсутствует.
(b) Небольшое смещение вызывает совпадение энергетических уровней (резонанс); в результате появляется проводимость.
(c) Дальнейшее увеличение смещения нарушает совпадение энергетических уровней, уменьшая проводимость.

При увеличении на TRD смещения, начиная с нуля, ток сначала увеличивается, а затем уменьшается, что соответствует состояниям «закрыт», «открыт» и снова «закрыт». Это делает возможным упрощение обычных транзисторных схем путем замены пары транзисторов парой резонансных туннельных диодов. Например, два TRD диода, включенных «спина-к-спине» и транзистор образуют ячейку памяти, использующую меньшее количество компонентов, меньшие размеры и потребляемую мощность по сравнению с обычной схемой. Потенциальное применение RTD диодов дает уменьшение количества компонентов, занимаемой площади и рассеиваемой мощности обычных транзисторов путем замены некоторых, хотя и не всех, транзисторов.

Резонансные туннельные диоды могут работать на частотах до 712 ГГц.

Двухслойный туннельный транзистор:DELTT также известный, как двухслойный туннельный транзистор, выполнен из пары проводящих потенциальных ям, разделенных диэлектриком или полупроводником с широкой запрещенной зоной (рисунок ниже).

Ямы являются настолько тонкими, что электроны заключены в двух измерениях. Они также известны, как квантовые ямы. Пара этих квантовых ям изолирована тонким слоем GaAlAs с широкой запрещенной зоной (не проводит легко ток). Электроны могут создавать туннель через изолирующий слой, если электроны в двух квантовых ямах обладают одинаковыми импульсом и энергией. Ямы являются настолько тонкими, что электрон можно рассматривать как волну – квантово-механическую двойственность частиц и волн. Выравнивание энергетических уровней (резонанса) электронов может быть достигнуто с помощью верхнего и дополнительного нижнего управляющих затворов, что даст проводимость от истока к стоку. На рисунке ниже, красные линии на диаграмме барьера показывают неравные энергетические уровни в ямах, «закрытое» состояние. Правильное смещение затворов выравнивает энергетические уровни электронов в ямах, что соответствует «открытому» состоянию. Красные линии на диаграмме энергетических уровней в этом случае были бы на одном уровне.

Двухслойный туннельный транзистор (DELTT)
Двухслойный туннельный транзистор (DELTT) состоит из двух ям, содержащих электроны и разделенных непроводящим барьером. Напряжения затворов могут быть подстроены так, чтобы энергии и импульсы электронов в ямах были равны, что позволит электронам создать туннель через непроводящий барьер. (На диаграмме барьера энергетические уровни показаны неравными.)

Если смещение затвора увеличивается за пределы, необходимые для туннелирования, энергетические уровни в квантовых ямах перестают совпадать, туннелирование тормозится, ток от истока к стоку уменьшается. Таким образом, увеличение смещения затвора, начиная от нуля, дает сначала состояние «закрыт», затем «открыт» и снова «закрыт». Это позволяет соединять пару DELTT транзисторов аналогично комплементарной паре CMOS транзисторов; хотя в этом случае уже не требуются различные транзисторы p- и n-типа. Напряжение источника питания составляет около 100 мВ. Экспериментальные DELTT транзисторы, которые были изготовлены, работали при температурах 4,2К, 77К и 0°C.

MIIM диод: диод со структурой металл-диэлектрик-диэлектрик-металл (МДДМ, metal-insulator-insulator-metal, MIIM) является квантовым туннельным прибором, который в своем составе не использует полупроводники. На рисунке ниже приведено сечение MIIM диода. Чтобы квантовое туннелирование было возможным, слои диэлектрика должны быть тонкими по сравнению с длиной волны электрона де Бройля (Квантовая физика). Для диодного эффекта должно обеспечиваться предпочитаемое направление туннелирования, дающее в результате резкий изгиб прямой ветви характеристики диода. МДДМ диод обладает более крутой прямой ветвью характеристики по сравнению с МДМ диодом (металл-диэлектрик-метал, MIM), который здесь не рассматривается.

Диод со структурой металл-диэлектрик-диэлектрик-металл (МДДМ, MIIM)
Диод со структурой металл-диэлектрик-диэлектрик-металл (МДДМ, MIIM): Поперечное сечение диода. Энергетические уровни при отсутствии смещения, при прямом смещении и при обратном смещении

При отсутствии смещения энергетические уровни M1 и M2 равны, как показано на рисунке выше. Тем не менее, (тепловые) электроны не могут протекать из-за высоких барьеров I1 и I2. При обратном смещении электроны в металле M2 обладают более высоким энергетическим уровнем (как показано на рисунке выше), но всё еще не могут преодолеть диэлектрический барьер. При увеличении прямого смещения (как показано на рисунке выше) между диэлектриками образуется квантовая яма, область, где могут существовать электроны. Электроны могут проходить через диэлектрик I1, если M1 находится на том же энергетическом уровне, что и квантовая яма. Простое объяснение заключается в том, что слои диэлектриков тонки. Более длинное объяснение состоит в том, что при увеличении смещения увеличивается и вероятность перекрытия электронной волной расстояния от M1 до квантовой ямы.

MIIM (МДДМ) приборы работают на более высоких частотах (3,7 ТГц) по сравнению с СВЧ транзисторами. Добавление третьего электрода в MIIM/МДДМ диод создаст транзистор.

Квантовый точечный транзистор: Изолированный проводник может принять на себя заряд, который для крупных объектов измеряется в кулонах. Для изолированного проводника наноразмеров, известного как квантовая точка, заряд измеряется в электронах. Квантовая точка размером от 1 до 3 нм может брать на себя заряд в один электрон. Это является базой квантового точечного транзистора, также известного как одноэлектронный транзистор.

Квантовая точка, размещенная наверху тонкого диэлектрика над источником, богатым электронами, известна как одноэлектронный ящик (рисунок ниже (a)). Энергия, необходимая для передачи электрона, связана с размером точки и количеством электронов, уже находящихся в точке.

Электрод затвора над квантовой точкой может регулировать энергетический уровень точки так, что становится возможным квантово-механническое туннелирование электронов (как волн) от истока через диэлектрик (рисунок ниже (b)). Таким образом, один в точку может туннелировать один электрон.

Квантовый точечный транзистор
(a) Одноэлектронный ящик, изолированная квантовая точка, отделенная диэлектриком от источника электронов.
(b) Положительный заряд на затворе поляризует квантовую точку, туннелирование электрона из источника в точку.
(c) Квантовый транзистор: канал заменен квантовой точкой, окруженной туннельным барьером.

Если квантовая точка окружена туннельным барьером и встроена между истоком и стоком обычного полевого (FET) транзистора, как показано на рисунке выше (c), заряд в точке может модулировать поток электронов от истока к стоку. По мере увеличения напряжения на затворе, ток от истока к стоку будет возрастать вплоть до определенного момента. Дальнейшее увеличение напряжения на затворе уменьшит ток стока. Это похоже на поведение резонансных приборов RTD (резонансного туннельного диода) и DELTT (двухслойного туннельного транзистора). Для построения логических схем в этом случае требуется только один тип транзистора.

Одноэлектронный транзистор: Если пара проводников, сверхпроводников или полупроводников разделена парой туннельных барьеров (диэлектриков), окружающей крошечный проводящий островок, подобный квантовой точке, то поток одиночных зарядов (для сверхпроводников, куперовских пар) может управляться затвором. Этот одноэлектронный транзистор похож на изображение на рисунке выше (c). Увеличение положительного заряда на затворе позволяет электрону туннелировать на «островок». Если этот «островок» достаточно мал, то из-за низкой емкости точечный потенциал существенно возрастет даже из-за одного электрона. Из-за имеющегося заряда электрона большее количество электронов не сможет туннелировать на «остров». Это явление известно как кулоновская блокада. Электрон, который туннелировал на остров, может туннелировать к стоку.

Одноэлектронные транзисторы работают при температурах, близких к абсолютному нулю. Исключение составляет графеновый одноэлектронный транзистор, имеющий в своем составе графеновый остров. Всё это экспериментальные приборы.

Графеновый транзистор: Графит, аллотроп углерода, не обладает жесткой взаимосвязанной кристаллической структурой алмаза. Тем не менее, он обладает кристаллической структурой – толщиной в один атом, так называемая двумерная структура. Графит представляет собой трехмерный кристалл. Однако он расщепляется на тонкие листы. Экспериментаторы, доводящие это до крайности, получают крупинки размером в микрон и толщиной в один атом известные, как графен (рисунок (a) ниже). Эти мембраны обладают уникальными электронными свойствами. Высокая проводимость, проводимость либо электронов, либо дырок, без какого-либо легирования.

Графеновые листы могут быть врезаны в структуры транзисторов с помощью технологий литографии. Эти транзисторы имеют некоторое сходство с MOSFET транзисторами. Затвор, имеющий емкостную связь с графеновым каналом, обладает проводимостью.

При уменьшении размеров кремниевых транзисторов, увеличиваются утечки вместе с рассеиваемой мощностью. А они становятся меньше каждые пару лет. Графеновые транзисторы рассеивают мало энергии. И они переключаются на высокой скорости. Когда-нибудь графен может стать заменой кремния.

Из графена могут формироваться приборы размером до шестидесяти атомов в ширину. Графеновые квантовые точки могут использоваться в одноэлектронных транзисторах. Описанные ранее одноэлектронные транзисторы, которые создаются либо из сверхпроводников, либо из обычных полупроводников, работают при температурах, близких к абсолютному нулю. Только графеновые одноэлектронные транзисторы работают при комнатной температуре.

Графеновые транзисторы в настоящее время исследуются в лабораториях. Если в ближайшие десять лет они поступят в производство, то к этому моменту уже должны производиться графеновые пластины. Первый этап, производство графена методом химического осаждения было выполнено в экспериментальных масштабах.

Графен
(a) Графен: Один лист графитового аллотропа углерода. Атомы расположены в виде гексагональной структуры с углеродом в каждом пересечении.
(b) Углеродная нанотрубка: свернутый лист графена.

Транзистор на углеродных нанотрубках, CNTFET (carbon nanotube field-effect transistor): Если 2-D лист графена свернуть, в результате получится 1-D структура, известная как углеродная нанотрубка (рисунок (b) выше). Причина, чтобы рассматривать эту трубку, как одномерную, заключается в том, что она обладает высокой проводимостью. Электроны пересекают углеродную нанотрубку без рассеяния кристаллической решеткой. Сопротивление в обычных металлах обусловлено рассеянием электронов металлической кристаллической решеткой. Если электроны избегают этого рассеяния, проводимость в этом случае называется баллистическим транспортом. Производятся и металлические, и полупроводниковые (по типу проводимости) углеродные нанотрубки.

Из углеродных нанотрубок могут быть созданы полевые транзисторы путем осаждения контактов истока и стока на концах и емкостной связи затвора с нанотрубкой между контактами. Могут быть изготовлены транзисторы обоих типов и P, и N. Чем интересны транзисторы на углеродных нанотрубках? Полупроводниковые приборы на нанотрубках меньше по размеру, быстрее, меньше потребляют электроэнергии по сравнению с кремниевыми транзисторами.

Спинтроника: Обычные полупроводниковые приборы управляют потоком электронных зарядов, т.е. электрическим током. Цифровые состояния представлены наличием («открыт») или отсутствием («закрыт») протекания тока. Размеры полупроводниковых приборов стали меньше, а их плотность в интегральных микросхемах возросла, мощность, которая должна рассеиваться в виде тепла, возросла до такой степени, что ее стало трудно отводить. Электроны обладают свойствами, отличными от заряда, например, спин. Предварительное объяснение спина электрона состоит во вращении распределенного заряда электрона вокруг оси спина, сходного суточному вращению Земли. Петли тока, создаваемые движением заряда, формируют магнитное поле. Тем не менее, электрон больше похож на точечный, чем на распределенный заряд. Таким образом, аналогия с вращающимся распределенным зарядом уже не будет правильным объяснением спина. Спин электрона может иметь одно из двух состояний (вверх или вниз), которые могут быть представлены цифровыми состояниями. Точнее, квантовое число спина (ms) может быть ±1/2 квантового числа углового момента (l).

Управление спинами электронов, вместо потока зарядов, значительно уменьшает рассеивание мощности и увеличивает скорость переключения. Спинтроника (spintronics – акроним «SPIN TRansport electrONICS», спиновая транспортная электроника) не обладает широким применением из-за сложности создания, управления и контролирования спина электрона. Тем не менее, энергонезависимая магнитная спиновая память, обладающая высокой плотностью, находится в производстве, использующем модифицированные полупроводниковые процессы. Это связано со спиновым клапаном магнитной головки считывания, используемой в компьютерных жестких дисках.

Простой магнитный туннельный переход (MTJ), показанный на рисунке ниже (a), состоит из пары ферромагнитных (с сильными магнитными свойствами как, например, железо, Fe) слоев, разделенных тонким диэлектриком. Электроны могут туннелировать через достаточно тонкий диэлектрик благодаря своим квантово-механическим свойствам – из-за волновой природы электронов. Ток, протекающий через магнитный туннельный переход (MTJ), является функцией намагниченности (полярности спинов) ферромагнитных слоев. Сопротивление MTJ перехода мало, если магнитный спин верхнего слоя находится в том же направлении (полярности), что и у нижнего слоя. Если магнитные спины двух слоев противоположны, сопротивление высоко.

Магнитный туннельный переход MTJ
(a) Магнитный туннельный переход (MTJ): Пара ферромагнитных слоев разделена тонким диэлектриком. Сопротивление изменяется с намагниченностью верхнего слоя.
(b) Антиферромагнитное смещение намагничивает и фиксирует нижний ферромагнитный слой, что увеличивает чувствительность сопротивления к изменениям полярности верхнего ферромагнитного слоя.

Изменение сопротивления может быть улучшено за счет добавления антиферромагнетика (материала, спины которого выровнены, но направлены в противоположные стороны) под нижний слой, как показано на рисунке выше (b). Этот смещающий магнит фиксирует спины нижнего ферромагнитного слоя к одной неизменной полярности. Намагниченность верхнего слоя (спины) могут быть перевернуты, чтобы представить данные от прикладываемого внешнего магнитного поля, не показанного на рисунке. Зафиксированный слой не зависит от внешних магнитных полей. Опять же, сопротивление MTJ перехода минимально, когда спин верхнего ферромагнитного слоя совпадает с нижним зафиксированным ферромагнитным слоем.

Чтение данных из MTJ перехода
(a) Отделение зафиксированного ферромагнитного слоя (предыдущий рисунок b) буферным слоем повышает стабильность и изолирует верхний ферромагнитный незафиксированный слой. Данные сохраняются в верхнем ферромагнитном слое на основе спиновой полярности (b) MTJ ячейки, встроенной в считывающие линии полупроводниковой матрицы – показан один MTJ переход из множества.

Для чтения битов данных из MTJ переходов с помощью схем на обычных КМОП транзисторах в массив магнитных туннельных переходов может быть встроена кремниевая пластина с проводниками, подключенными к верхним и нижним выводам. Один из таких MTJ переходов с проводниками для считывания показан на рисунке выше (b). На рисунке не показан другой ряд проводников, через который протекают большие токи записи, переключающие магнитные спины в верхнем ферромагнитном слое для сохранения данных. Ток подаются на один из многих "X" и "Y" проводников. Один из MTJ переходов в массиве намагничен под пересечением проводников. Данные считываются путем измерения тока черех MTJ переход с помощью традиционных кремниевых полупроводниковых схем.

Основная причина интереса к памяти на базе магнитных туннельных переходов заключается в ее энергонезависимости. Она не теряет данные при выключении питания. Другие типы энергонезависимой памяти, в отличие от MTJ памяти, ограничены количеством циклов записи. MTJ память также обладает более высокой скоростью по сравнению с полупроводниковыми типами памяти. В настоящее время MTJ память является коммерческим продуктом.

Некоммерческим продуктом, или даже лабораторным прибором, является теоретический спиновый транзистор, который может однажды сделать доступной спиновую логику. Спиновый транзистор является производным устройством от теоретического спинового диода.

В течение некоторого времени известно, что электроны, протекающие через кобальт-железный ферромагнит становятся спин-поляризованными. Ферромагнитик действует как фильтр, пропускающий электроны с одним предпочтительным спином. Эти электроны могут поступать в примыкающий немагнитный проводник (или полупроводник) сохраняя на короткое время (наносекунды) спиновую поляризацию. Хотя спин-поляризованные электроны могут распространяться и на более значительное расстояние по сравнению с размерами полупроводниковых приборов. Спин-поляризованные электроны могут быть обнаружены с помощью никель-железного ферромагнитного слоя, примыкающего к полупроводнику.

Кроме того, было показано, что поляризация спинов электронов происходит, когда некоторые полупроводниковые материалы освещаются светом с круговой поляризацией. Таким образом, возможно вводить спин-поляризованные электроны в полупроводниковый диод или транзистор. Интерес к транзисторам и логике на основе спинов вызван нерассеиваемой природой распространения спинов, по сравнению с рассеиваемым потоком зарядов. По мере уменьшения размеров обычных полупроводниковых приборов, увеличивается рассеивание мощности. В какой-то момент дальнейшее уменьшение размеров станет непрактичным. Исследователи ищут замену обычному транзистору, работающему на основе потоков зарядов. И это новое устройство может быть основано на спинтронике.

Подведем итоги:

  • По мере уменьшения длины затвора в каждом новом поколении МОП транзисторов, которые так же уменьшаются с каждым разом, чрезмерные утечки затвора вызывают неприемлемые рассеивание мощности и нагрев. Из-за чего становится видимым предел уменьшения размеров обычных полупроводниковых приборов.
  • Резонансный туннельный диод (RTD): В RTD диодах применяются квантово-механические эффекты, которые ухудшают обычные полупроводниковые приборы. Поток электронов через достаточно тонкий диэлектрик основан на волновой природе электрона – на корпускулярно-волновом дуализме. RTD диод действует как усилитель.
  • Двухслойный туннельный транзистор (DELTT): DELTT является транзисторной версией RTD диода. Смещение затвора управляет способностью электронов туннелировать через тонкий диэлектрик из одной квантовой ямы в другую (от истока к стоку).
  • Квантовый точечный транзистор: Квантовая точка, способная удерживать заряд и окруженная тонким туннельным барьером, заменяет затвор обычного полевого (FET) транзистора. Заряд в квантовой точке управляет потоком электронов от истока к стоку.
  • Спинтроника: Электроны обладают двумя основными свойствами: заряд и спин. Обычные электронные приборы управляют потоком зарядов, рассеивающим энергию. Спинтронные устройства воздействуют на спин электрона, распространяемый и нерассеивающий процесс.

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.


Сообщить об ошибке