Технические дисциплины - Микроэлектроника

Перспективные направления развития МЭл.

 

Все физические и математические модели, лежащие  в основе расчёта транзисторных структур исходят из представлений о твёрдом теле как макроскопическом, т.е  это твёрдое тело обладает макроскопическими закономерностями протекания процессов(диффузия, распределение свободных носителей, распределение электронов в примеси).

Но при уменьшение толщины пленок свойства материалов , характерные для макроскопического тела не сохраняются .Они сохраняются до толщин в десятки нм, если меньше- всё меняется- играют роль квантовые эффекты.

Рассмотрим пример:10 6транзисторов на S=1мм2 ,1 транзистор занимает                                                            S=1мкм.

Трудности технологические. Современные  нанотехнологические установки на основе туннельного микроскопа позволяют получить min=20 нм =0.02 мкм.

Возьмём для примера полевой МОП- транзистор с лучшими параметрами, получаемый с помощью электронно-лучевой литографии.

d=0.01мкм

l=0.5   мкм

z=0.2мкм

V=d  . l . z=10 -3 мкм3 =10 -15 см 3 -такой объём будет занимать канал.

Концентрация атомов Si в этом канале: N Si =5.10 22 см -3, число Si : N=5.107 атомов.

Примеси: N d=5. 10 16см  -3 , Nприм =50 ат .примеси.

Статический разброс этого количества атомов:

При таком разбросе транзисторы будут очень сильно отличаться друг от друга и можно сказать, что микросхема будет дефектной. В таких транзисторах для переноса информации требуется q=10 -17 Кл, а число необходимых электронов: N=

 

Характер инжекции электронов и характер эмиссии- явления статистические.

Микросхемы должны выполнять приблизительно  операций в секунду. В результате схема будет практически неработоспособной, т.е дальнейшая степень интеграции с использованием обычных структур полупроводников невозможна.

Нужно использовать другие принципы построения элементов микросхем -это приборы и схемы , работающие на квантово-размерных эффектах. Существуют

3 основных перспективных направления, связанные с КРЭ:

 

1)КВАНТОВЫЕ СИСТЕМЫ(квантовые линии и квантовые точки):

квантовая линия- вырезают линию ~нм;

квантовая точка-размеры ~нм,получают  на туннельных микроскопах;

 

2)КРИОЭЛЕКТРОНИКА+КВАНТОВАЯ СИСТЕМА;

 

3)ОПТОЭЛЕКТРОНИКА+КВАНТОВАЯ СИСТЕМА(волноводные системы).

 

 

Квантовые системы (сверхрешётки , квантовые ямы).

 

Существуют двумерные, одномерные, нольмерные системы (квантовые точки).Всё это началось с 1985г( работы Канна и Кауфмана, используется туннельный микроскоп).

СХЕМА ТУННЕЛЬНОГО МИКРОСКОПА:

 

 

 

1-подложка;

2-зонд(металлическая игла, заточенная ионным травлением);

3-источник питания;

4-зазор между иглой и подложкой;

5-усилитель туннельного тока;

6-динамический регулятор зазора между подложкой и иглой на основе пьезодатчиков;

7-система прецезионного перемещения подложки.

Заточка иглы необязательна, но т. к  на кончике иглы всё равно работает один атом-величина зазора ,поэтому при атмосферном давлении:Р=n.k.T;

105Па  = n. 1.38 .1023 . 300       n = концентрация атомов в воздухе.

Линейная концентрация ~ ;~.

Напряжение между иглой и подложкой приблизительно несколько вольт.

Е ~10 7 B/смвозникает туннельный ток. Его ВАХ представлена на рис.   .

 

 

Пьезодатчики позволяют регулировать зазор с точностью до С такой же точностью может перемещаться подложка по площадке 1010 .Вся установка снабжается виброзащитой.

С помощью туннельного микроскопа можно исследовать атомарную систему подложки без её разрешения .При энергиях электронов равных ,или немного больше Е атомной связи в подложке, на ВАХ появляются выбросы, т .е нелинейности. Это позволяет снять спектрограмму и определить химический состав поверхности. Если Е сат. связи ,то можно возбудить атом и оторвать его от поверхности, затем, двигая подложку, переместить в другое место и, снизив напряжение, снова «осадить».

На основе туннельного микроскопа разрабатываются нанотехнологические установки (имеется мощная система откачки, система напуска в объем необходимых газов). В этом случае под действием сильного электрического поля молекулы технологического газа ионизируются, закрепляются на зонде и могут быть высажены в любом месте поверхности подложки, образуя требуемое химическое соединение. Таким образом можно сформировать дорожки полупроводника, кластеры с поперечными размерами порядка десятков и сотен ангстрем.

Эта система называется квантовый проводник. Он может проводить ток (открыт) или не проводить его (закрыт, на затворе запирающее напряжение). Это пример прибора, выполненного по нанотехнологии. Такой прибор может формировать сигналы с времен фронта порядка 10-14 сек, что соответствует ближнему ИКИ и видимому диапазону излучения.

Сверхрешетки

 

Это чередование тонких слоев полупроводника с разными электрическими свойствами (шириной запрещенной зоны).Толщина слоев должна быть меньше длины свободного пробега в этих материалах. Слои должны быть хорошо согласованы по параметрам решетки. Этим требованиям удовлетворяют материалы группы AIIIBV (также применяются и решетки Si и Ge).

Слои выращиваются методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Состав слоев обычно таков: AlGaAs – GaAs.

Эти узкие потенциальные ямы принято называть квантовыми точками. Энергия электронов в них квантуется:

 

В квантовых ямах образуются минизоны, по которым движутся электроны. Коэффициент прохождения через много барьеров может быть даже больше 1. Это связано с интерференцией волн де’Бройля. На основе этих эффектов разрабатываются такие приборы как резонансные туннельные диоды и резонансные туннельные транзисторы (с отрицательной и положительной крутизной).

Дальнейшим развитием наноэлектроники является одноэлектроника – направление, связанное с разработкой приборов, которые функционируют на одном электроне (Новосибирск, 1986 г.). Пока такие приборы работают лишь в области сверхпроводимости (4,2 К).

Нанотехнологии позволяют работать в области частот до 1014 – т.е. в области ближнего ИКИ и, возможно, видимого света. Эти параметры достигаются пока только в области криогенных температур.

 

Лекции полностью!

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить