Физические основы микроэлектроники; Электроника
Лекция 14, тезисы
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 нанотрубок и 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 исследований рассматриваются:
- 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.