3. Проблемы микро- и наноэлектроники. Наноструктуры (квантовые точки, квантовые проволки, пленки)

Одной из важнейших технологических задач является создание и исследование наноструктур с контролируемыми размерами и заданными свойствами. Решение данной проблемы приведет к революционным изменениям в наноэлетронике, наномеханике и других областях.

Сложности при переходе от микро- к наноэлектронике связаны не только с умньшением размеров элементов, но и с необходимостью достижения высокой точнсти в изготовлении этих элементов, воспроизводимости технологических процессов.

В наноэлетронике ключевую роль в приборах уже не играют концентрация и подвижность носителей, а важную роль играют параметры: длина волны электрона, длина фазовой когерентности, длина свободного пробега. В наноэлектронике для осуществлении переключения будет достаточно 1-го электрона и небольшое электрическое поле, чем в микроэлектронике, где для переключения прибора из одного состояния в другое требуется прохождение тока из ≈1 млн электронов.

Квантовая точка - фрагмент проводника или полупроводника, носители заряда которого ограничены в пространстве по всем трем измерениям.

В широком смысле вантовые точки это:

Квантовые точки представляют собой изолированные наноразмерные объекты, свойства которых отличаются от свойств объемного материала такого же состава. КТ являются квазинуль-мерными структурами, то есть движение электрона ограничено по всем трем координатам.

Если движение электрона в ТТ ограничено по одной координате(размерность 2D-свободное движение по двум координатам), то такие структуры называются квантовыми ямами, а электронный газ в них можно считать двумерными.

При ограничении движения по двум координатам (размерность 1D-одна координата) структуры называются квантовыми нитями (проволками).

Основные квантовые явления в наноразмерных структурах, относящихся к объектам, физические свйства определяются кванторазмерными эффектами, поскольку характерные физические параметры играют роль – дебролевская длина волны (λ_D)

Если геометрический размер структуры соизмерим или меньше (λ_D), то проявляются эффекты размерного квантовая, возникают дискретные энергетические спектры электронов, причем положение каждого из вантовых уровней зависит от свойств материалов и его геометрических размеров.

От Влада: PDF. Квантовый размерный эффект.

4. Физические ограничения, определяющие проблемы совершенствования характеристик и параметров полевого транзистора как основного элемента. Ограничение длины канала, толщины подзатворного диэлектрика и другие ограничения.

Полевой транзистор- это трехэлектродный твердотельный прибор, в котором процессы преобразование сигналов осуществляются за счет переноса носителей одного типа (электронов или дырок).

Основные электроды полевого транзистора:

• Исток

• Затвор

• Сток

Существуют 3 типа ПТ:

1. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом: используется в качестве низкочастотных дискретных приборов.

2. ПТ с управляющим переходом металл-полупроводник: применяется в быстродействующих цифровых ИМС и СВЧ - устройствах.

3. ПТ с изолированным затвором и структурой металл-диэлктрик-проводник (МДП-транзисторы) – широко используются в интегральных схемах и дискретных приборах, а также в переключающих схемах.

Физические ограничения 3-х типов ПТ:

Все 3 вида различаются между собой структурой и способом управления проводимостью канала.

Отличие заключается не в физических процессах, а в физико-технологической структурном разновидности, реализующую измерения проводимости под влиянием потенциалов на электродах.

В ПТ с затвором ме-п/п или p-n переходами на электрический переход подается обратное U(-U), которое изменяет толщину обратно смещенного перехода. Отсюда следует, что напряжение на затворе, меняя толщину обедненного слоя, изменяет и толщину проводящей части канала, то есть го сопротивление (R) и ток (I) через него.

В МДП - транзисторах канал часто технологически не сформирован =>он образуется за счет приложения к затвору определенного U и формирования поперечного к поверхности электрическое поле.

Поэтому в МДП- транзисторах U на металлич. затворе через тонкий слой диэлектрика создает поперечное относительно поверхности электрическое поле в п/п-ке, которое управляет концентрацией носителей в канале.

ПТ в отличие от биполярн. транзисторов имеют большое входн. сопротивление (R_вх) на постоянном токе, которое определяется либо обратно смещенным электрическим переходом, либо тонким слоем диэлектрика.

ОТ ВЛАДА:

Физические явления, ограничивающие микроминиатюризацию

Анализ показывает, что наряду с тенденцией уменьшения геометрических размеров каждого элемента в схемах проявляется тенденция к увеличению числа элементов в схеме. Если в начале 1960-х годов число элементов в схеме составляло десятки, то в начале 2000-х годов число элементов в схеме составляет сотни миллионов. Обращает на себя внимание тот факт, что в настоящее время плотность упаковки приближается к пределу, обусловленному физическими ограничениями [32].

Проблемы, связанные с физическими ограничениями микроминиатюризации, требуют рассмотрения основных физических явлений, которые запрещают дальнейшее уменьшение линейных геометрических размеров транзисторов, напряжений и токов транзистора, ограничивают его быстродействие и плотность упаковки. В таблице 5 перечислены предельно допустимые значения параметров и основные физические ограничения.

Таблица 5. Физические ограничения микроминиатюризации

Минимальную длину канала ограничивает эффект, связанный со смыканием областей истока и стока при приложении напряжения к стоку V_DS. Поскольку ширина l_об p-n перехода, смещенного в обратном направлении, равна

   (6.104)

то минимальная длина канала должна быть больше удвоенной ширины p-n перехода L_min > 2l_об и быть прямо пропорциональна корню квадратному от напряжения питания и обратно пропорциональна корню квадратному от уровня легирования подложки.

На рисунке 6.23 приведена зависимость L_min от концентрации легирующей примеси N_A, толщины окисла d_ox и напряжения питания V_пит, рассчитанная по (6.104). Отсюда видно, что при толщине окисла d_ox = 100 A и концентрации акцепторов N_A = 10¹⁷ см^-3 возможно создание МОП-транзистора с длиной канала L = 0,4 мкм при напряжении питания 1-2 В. Дальнейшее увеличение легирующей концентрации в подложке может привести к туннельному пробою p⁺-n⁺ перехода.

Рис. 6.23. Минимальная длина канала L, определяемая физическими ограничениями, в зависимости от напряжения питания, толщины окисла и уровня легирования

На рисунке 6.24 показана зависимость напряжения пробоя такого перехода от легирующей концентрации в подложке.

Минимальную толщину подзатворного диэлектрика ограничивает сквозной ток через диэлектрик затвора. Считая ток туннельным и используя для тока выражение Фаулера - Нордгейма для туннелирования через треугольный потенциальный барьер, получаем, что для толщины d_ox > 50 A плотность тока пренебрежимо мала. Предельное быстродействие определяется временем пролета носителей через канал при длине канала L = 1 мкм, скорости дрейфа, равной скорости света, и составляет τ = 0,03 нс. Очевидно, что минимальное напряжение питания не может быть менее kT/q из-за флуктуаций тепловой энергии.

Рис.6.Зависимость напряжения пробоя p-n⁺ перехода стока от концентрации легирующей примеси в подложке N_A