9.8. За рамками традиционных cmos

Как было обсуждено ранее, технологическая дорожная карта (ITRS 2003) спрогнозировала, что транзисторы будут иметь физическую длину затвора 8-9 нм к 2016 году. Первоначальные экспериментальные результаты, полученные с нетрадиционными DG FET, показывают, что прогнозы ITRS продолжат двигаться тем же путём. Однако, производство производство многомиллиардных транзисторных схем станет чрезвычайно трудным и дорогим. Эти схемы будут очень быстрыми, но также будут потреблять много энергии, требуя тщательного проектирования схемы и выбор высоко- и низкопроизводительных устройств на одном чипе для управления чрезмерным рассеиванием мощности. Кроме того, размеры устройств достигают молекулярного и атомного уровней перемещая нас в другой режим, подкотрольный квантово-механическим эффектам. Необходимо изучать альтернативные технологии в CMOS, которые скорее всего, станут дополнением к существующей технологии CMOS. Среди возможных технологий - квантовые устройства, молекулярная электроника, органические (пластиковые) транзисторы, наноэлектромеханические структуры (NEMS), транзисторы и оптические устройтсва из углеродных нанотрубок (см. следующие три главы).^2,37,38

Рис. 9.28 изображает различные технологии в трёхмерной системе координат, такие как сокращение скорости, размера и цены. Энергия потребления определяется напряженностью.

Каждая технология занимает определённый объём в этом трёхмерном представлении.² Каждый объём спроецирован на три плоскости для того, чтобы наглядно представить величину этих трёх параметров для каждой технологии. Как можно увидеть для CMOS, цена лежит в диапазоне , время переключения варьируется между 30 пс – 1 мкс, и размер лежит в диапазоне от 5 мкм до 8 нм. Некоторые из технологий, показанных на графике всё ещё находятся на ранней стадии развития, и экпериментальные данные по ним отсутствуют. В этом случае, приведённые данные основаны на предположениях и физических принципах.^2,37 Таблица 9.3 обобщает параметры для устройств, изображённых на Рис 9.28. и относятся к переключению узлов, и CD является критическим размером.

Интересно отметить, что возможность применения некоторых технологий, показанных на Рис. 9.28 определяется тем, для чего они применяются. Например, квантовые расчёты обеспечивают огромное увеличение скорости для решения алгоритмов факторизации, таких как расшифровка, превращая невозможные вычисления в реальность. Тем не менее, квантовые компьютеры будут бесполезны для вычислений общего назначения.³⁹ Квантовые вычисления находятся на начальной стадии развития, и устройства, которые подходят для реализации квантовых компьютеров всё ещё не до конца исследованы. Одно из самых перспективных устройств называется спин-разонансный транзистор, который стоит из многослойного Si-Ge.⁴⁰

Пластиковые или органические транзисторы являются тонкоплёночными транзисторами, которые производятся на пластиковых подложках вместо кремниевых. Одной из областей применения органической электроники являются органические светодиоды или OLED. Эта технология представляют потенциало очень недорогой электроники и дисплеев, которые могут быть напечатаны на гибких подложках. Это открывает возможности для новых приложений, таких как отцифрованные газеты, этикетки продуктов, RF тэги, печатная электроника на одежде и другие тродукты. Эти приложения не требуют высокой производительности и плотности CMOS-схем, но должны быть недорогими и гибкими.⁴¹ Эта технология хорошо развита, и в было разработано несколько коммерческих продуктов.⁴² Основными недостатками являются низкая скорость (kHz) и большой размер (около 10 мкм) этих устройств.

Молекулярная электроника использует молекулы в качестве переключающих устройств. Небольшой размер этих молекул позволит создавать компьютеры и память чрезвычайной плотности, в миллион раз плотнее памяти, существующей на сегодняшний день. Хотя существование молекулярной электроники всё ещё далеко от реальности, несколько исследовательских групп уже преуспели в разработке молекул, которые действуют как электронные переключатели и память. Созданы простые наносхемы, состоящие из молекулярных переключателей и проводов.⁴³ Конечно, до разработки схемы со сложностью, аналогичной современным CMOS-чипам, ещё очень далеко и нужно преодолеть многие трудности, прежде чем потенциал молекулярной электроники сможет реализоваться.

Полевые транзисторы на основе углеродных нанотрубок (CNFET)

Углеродные нанотрубки крупные, как и все молекулы углерода относящиеся к семейству фуллеренов. Эти трубки можно рассматривать как расширенный фуллерен, в котором средняя часть была расширена с образованием цилиндров. Эти трубки имеют диаметр от одного до нескольких нанометров и длину в сотни микрометров. Атомы углерода в трубке не содеражт оборванные связи, что делает их чрезвычайно инертными и стабильными. Трубки могут быть металлическими или полупроводниковыми, в зависимости от того, как трубка была разбита (см. главу о Углеродных Нанотрубках). Металлические нанотрубки очень хорошо проводят электричество и тепло, их проводимость превосходит проводимость меди. Полупроводниковые нанотрубки являются весьма многообещающими структурами для изготовления высокопроизводительных наноразмерных транзисторов. Несколько исследовательских групп уже изготавливают полевые транзисторы на углеродных нанотрубках (CNFET). Приемущество этих транзисторов заключается в том, что их структура очень похожа на структуру полевых транзисторов на основе кремния и они не нуждаются в кардинальном изменении технологии изготовления.⁴⁴

IBM недавно анонсировала высокопроизводительный транзистор с единственной углеродной нанотрубкой, изготовленный по стандартной CMOS-технологии.⁴⁵ Схематичное поперечное сечение CNFET, основанного на обычной MOSFET-структуре показано на рисунке 9.29. Транзистор имеет верхний затвор, аналогичный MOSFET. Углеродная нанотрубка диаметром всего 1.4 нм в диаметре аккуратно осаждается центрифугированием трубки из раствора дихлорэтана (1.2 М) поверх слоя оксида кремния. По образцу изготавливаются титановые электроды стока и истока. Отжигом структуры был получен хороший контакт между титаном и нанотрубкой через тонкий межфазный слой карбида титана. Оксид затвора толщиной 15 нм был осаждён при температуре 300˚С поверх трубки. Затем был осаждён верхний электрод, состоящий из титана или алюминия.

Механизмы работы CNFET ещё не до конца изучены, но последние результаты показали, что CNFET работает как скорее как транзисторы с барьером Шоттки, чем как стандартные объёмные транзисторы. Это означает, что нет необходимости в легировании углеродных нанотрубок. Изменяя высоту барьера можно получить устройства n-типа и p-типа, что делает возможным изготавливать устройства CMOS на основе углеродных нанотрубок.

CNET имеет крутой подпороговый наклон и крутую характеристику прямой передачи, что лучше, чем в кремниевых транзисторах. Кроме того, скорость электронов вдоль трубок значительно выше, чем в кремнии, благодаря баллистическому переносу носителей. Углеродные нанотрубки могут быть упакованы близко и находиться на расстоянии 3 нм друг от друга, что приводит к появлению чрезвычайно плотноупакованных устройств. Среди необходимых усовершенствований - достижение более тонкого слоя подзатворного оксида около 1.5 нм, и более короткой длины канала в диапазоне нескольких нанометров. Ожидается, что эти изменения дадут улучшение производительности на несколько порядков. Текущие результаты и дальнейшие улучшения производительности являются очень многообещающими и дают представление о том, как могут изготавливаться высокопроизводительные наноэлектроннные схемы после окончания действия дорожной карты ITRS.

Эти и другие новые технологии обсуждаются в различных главах этой книги. Мы ождаем, что эти технологии будут сосуществовать с технологиями CMOS в смешанном виде. Они будут совершенствовать микроэлектронику путём увеличения функциональности. Системы, состоящие из разнообразных подсистем, произведённых по различным технологиям будут предлагать наиболее экономичное и надёжное решение. Системы обработки информации не будут ограничиваться лишь электронными системами, а будут включать в себя микрогидродинамику, биосенсоры и системы на чипе и другие сложные системы обработки информации, которые выходят за рамки традиционных систем CMOS.