Электроника:Полупроводники/Теория твердотельных приборов/Квантовые устройства

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 648.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Введение в теорию твердотельных устройств[1]

Большинство интегральных схем являются цифровыми, основанными на МОП-транзисторах. Каждые пару лет, начиная с конца 1960-х годов, происходит уменьшение размеров, увеличивая плотность схемы – на той же площади умещалось ещё больше микросхем при меньших затратах. На момент написания этой статьи (2006 г.) длина затвора МОП-транзистора составляла 65 нм при самых передовых технологиях производства, а в течение года ожидается уменьшение до 45 нм. Размеры такого порядка сопоставимы с длиной волн в рентгеновском диапазоне, что делает токи утечки слишком заметными. При переходе на 45-нм нужны героические инновации, чтобы минимизировать эти утечки. Ожидается, что увеличение плотности в МОП-транзисторах остановится при достижении 20–30 нм, хотя некоторые считают, что предел – 1–2 нм. Фотолитография и прочие литографические методы будут совершенствоваться, обеспечивая всё более мелкую размеры. Однако не ожидается, что стандартные МОП-транзисторы будут использоваться при размерах, меньших 20–30 нм.

Инновационные методы фотолитографии, скорее всего, будут применяться к другим типам транзисторов с размерами менее 20-30 нм. Нежелательные токи утечки МОП-транзисторов возникают из-за квантово-механических эффектов – туннелирования электронов, проходящих через оксид затвора и узкий канал. Таким образом, эффекты квантовой механики являются барьером для обычных МОП-транзисторов всё меньшего размера. Устройствам с ещё меньшей геометрией в будущем – это уникальные активные устройства, на практике использующие принципы квантовой механики. Поскольку физические размеры достигли наноразмеров, на таких масштабах электрон рассматривается как квантово-механический волновой эквивалент. К устройствам, использующим принципы квантовой механики, относятся резонансные туннельные диоды, квантово-туннельные транзисторы, металлические диоды с металлическими диэлектриками и квантовые точечные транзисторы.

Квантовое туннелирование

Квантовое туннелирование: это когда электрон преодолевает изолирующий барьер, который слишком тонкий по сравнению с длиной волны электрона де Бройля, о котором мы говорили в 1-м разделе «Квантовая физика» этой главы. Если электрон-волна, велика по сравнению с барьером, то существует вероятность того, что волна проявится по обе стороны барьера.

Рис. 1. Классический взгляд на то, преодолевает электрон барьер или нет. Квантовая механика позволяет электрону туннелировать через барьер. Вероятность (зелёный цвет) связана с толщиной барьера (чем толще барьер, тем ниже вероятность).

В классической физике электрону нужная достаточная энергия, чтобы преодолеть барьер. В противном случае он отскочит от преграды (рисунок 1 выше). Квантовая механика допускает вероятность того, что электрон окажется по ту сторону барьера. Если рассматривать электрон как волну, он может выглядеть довольно большим по сравнению с толщиной барьера. Даже если рассматривать как волну, существует лишь небольшая вероятность того, что волна проявится по ту сторону толстого барьера (см. зелёную часть кривой на рисунке 1 выше). Утончение барьера повышает вероятность того, что электрон окажется по другую сторону.

Туннельный диод

Туннельный диод: Когда речь идёт о туннельном диоде, обычно подразумевается туннельный диод Эсаки, одно из первых квантовых устройств. Диод с обратным включением образует обеднённую область, изолирующую проводящий анод от катода. Эта обеднённая область слишком тонкая по сравнению с длиной волны электронов при сильном легировании – в 1000 раз больше, чем у выпрямительного диода. При правильном включении возможно квантовое туннелирование. Подробнее об этом рассказано в следующей 3-й главе.

Резонансный туннельный диод (РТД)

РТД, резонансный туннельный диод: это квантовое устройство, которое не следует путать с туннельным диодом Эсаки (диодам посвящена следующая глава) обычно сильно легированным биполярным полупроводником. Электроны туннелируют через пару барьеров, разделённых углублением в истоке, и попадают в сток резонансного туннельного диода. Туннелирование также известно как квантово-механическое туннелирование. Поток электронов контролируется смещением диода. Это согласует уровни энергии электронов в стоке с квантованным уровнем в яме, чтобы электроны могли туннелировать через барьеры. Уровень энергии в яме квантуется, потому что яма мала. Когда уровни энергии равны, наблюдается резонанс, позволяющий электронам проходить через барьеры, как показано на рисунке 2.б ниже. Отсутствие смещения или слишком большое смещение на рисунках ниже 2.а и 2.в соответственно приводит к рассогласованию энергии между истоком и стоком, а также отсутствию проводимости.

Рис. 2. Резонансный туннельный диод (РТД): (а) нет смещения, уровни энергии источника и ямы не согласованы, нет проводимости; (б) небольшое смещение согласует уровни энергии (резонанс); в результате появляется проводимость; (в) дальнейшее смещение приводит к несоответствию уровней энергии, уменьшая проводимость.

Когда на РТД смещение увеличивается от нуля, ток увеличивается, а затем уменьшается, что соответствует смене состояний «Выкл.» → «Вкл.» → «Выкл.». Это делает возможным упрощение обычных транзисторных схем за счёт замены пары РТД на два транзистора. Например, пара РТД/транзистор, подключённых друг к другу, образует ячейку памяти с использованием меньшего количества компонентов, меньшей площади и меньшей мощности по сравнению с традиционной схемой. Возможное применение РТД – уменьшение количества компонентов, площади и рассеиваемой мощности обычных транзисторных схем путём замены некоторых (хотя и не всех) транзисторов. РТД, как было показано, работают на частоте до 712 ГГц.

Двухслойный туннельный транзистор (ДТТ, Deltt)

ДТТ, двухслойный туннельный транзистор: (также известный как Deltt, от англ. Double-layer tunneling transistor) построен из пары проводящих потенциальных ям, разделённых диэлектриком или высокой запрещённой зоной полупроводника (рисунок 3 ниже). Ямы настолько тонкие, что электроны фактически ограничены двумя измерениями. Это так называемые квантовые ямы. Пара таких квантовых ям изолирована тонким слоем GaAlAs с большой шириной запрещённой зоны (плохо проводящей). Электроны могут туннелировать через изолирующий слой, если электроны в обеих квантовых ямах имеют одинаковый импульс и энергию. Ямы настолько тонкие, что электрон можно рассматривать как волну, в соответствии с квантово-механическим дуализмом частиц и волн. Верхний и дополнительный нижний управляющие вентили можно отрегулировать для выравнивания уровней энергии (резонанса) электронов, что позволит обеспечить проводимость от истока к стоку. На рисунке 3 ниже красные столбцы диаграммы барьеров показывают неравные уровни энергии в ямах, что соответствует состоянию «Выкл.». Правильное смещение затворов уравнивает уровни энергии электронов в ямах, что соответствует состоянию «Вкл.». Полосы уровней энергии будут на одном уровне на диаграмме.

Рис. 3. Двухслойный туннельный транзистор (ДТТ) состоит из двух электронных ям, разделённых непроводящим барьером. Напряжения на затворе можно регулировать так, чтобы энергия и импульс электронов в ямах были равны, что позволяет электронам туннелировать через непроводящий барьер. (Уровни энергии показаны неравными на диаграмме барьеров.)

Если смещение затвора превышает необходимое для туннелирования, уровни энергии в квантовых ямах больше не совпадают, туннелирование запрещается, ток истока к стоку уменьшается. Резюмируя: увеличение смещения затвора от нуля приводит к смене состояний «Вкл.», потом «Выкл.» и снова «Вкл.». Это позволяет размещать пару ДТТ, словно это дополнительная пара МОП-транзисторов; вот только разные транзисторы p- и n-типа при этом не требуются. Напряжение питания составляет около 100 мВ. Были изготовлены экспериментальные ДТТ, которые работают при температурах около 4,2 К, 77 К и 0°C. Ожидаются версии, работающие при комнатной температуре.

Металл-Диэлектрик-Диэлектрик-Металл (МДДМ)

МДДМ-диод: металл-диэлектрик-диэлектрик-металл диод (сокращённо по англ. MIIM от Metal-Insulator-Insulator-Metal) – это устройство квантового туннелирования, а не полупроводниковое (см. рисунок 4 ниже). Слои диэлектрика должны быть тоньше длины волны электронов де Бройля, чтобы было возможно квантовое туннелирование. Для диодного эффекта должно быть предпочтительное направление туннелирования, приводящее к резкому изгибу прямой линии характеристической кривой диода. МДДМ-диод имеет более резкую прямую кривую, чем диод с металлическим диэлектриком (ДМД), который здесь не рассматривается.

Рис. 4. МДДМ-диод: поперечное сечение диода. Уровни энергии для отсутствия включения, прямого включения и обратного включения.

Там, где «Без включения» – уровни энергии M1 и M2. И всё же (тепловые) электроны не могут течь из-за высоких барьеров I1 и I2. Электроны в металле M2 имеют более высокий уровень энергии при «обратном включении» на рисунке 4 выше, но всё же не могут преодолеть барьер в виде диэлектрика. По мере увеличения «прямого включения» между диэлектриками образуется квантовая яма (область, где могут существовать электроны). Электроны могут проходить через диэлектрик I1, если M1 находится на том же уровне энергии, что и квантовая яма. Простое объяснение состоит в том, что путь через диэлектрики меньше. Более подробное объяснение состоит в том, что по мере увеличения смещения вероятность наложения электронной волны от M1 на квантовую яму увеличивается.

МДДМ-устройства работают на более высоких частотах (3,7 ТГц), чем СВЧ-транзисторы. Если добавить третий электрод к МДДМ-диоду, то получим транзистор.

Квантовый точечный транзистор

Квантовый точечный транзистор: изолированный проводник может взять на себя заряд, измеряемый в кулонах для больших объектов. Для изолированного нано-проводника, известного как квантовая точка, заряд измеряется в электронах. Квантовая точка размером от 1 до 3 нм может принимать дополнительный заряд в один электрон. Это суть транзистора с квантовыми точками, также известного как одноэлектронный транзистор.

Квантовая точка, помещённая на тонкий диэлектрик над истоком, богатым электронами, известна как одноэлектронный ящик (рисунок 5.а ниже). Энергия, необходимая для переноса электрона, зависит от размера точки и количества электронов, уже находящихся в точке.

Электрод затвора над квантовой точкой может регулировать уровень энергии точки так, чтобы было возможно квантово-механическое туннелирование электрона (как волны) от истока через диэлектрик (рисунок 5.б ниже). Таким образом, одиночный электрон может туннелировать к точке.

Рис. 5. (а) Одноэлектронный ящик, изолированная квантовая точка, отделённая от истока электронов диэлектриком. (б) Положительный заряд на затворе поляризует квантовую точку, туннелируя электрон от истока к точке. (в) Квантовый транзистор: канал заменён квантовой точкой, окруженной туннельным барьером.

Если квантовая точка окружена туннельным барьером и встроена между истоком и стоком обычного полевого транзистора, как на рисунке 5.в выше, заряд на точке модулирует поток электронов от истока к стоку. По мере увеличения напряжения затвора ток между истоком и стоком увеличивается до определённого значения. Дальнейшее увеличение напряжения затвора снижает ток стока. Это похоже на поведение РТД и резонансных ДТТ-устройств. Для добавления дополнительного логического элемента требуется только один тип транзистора.

Одноэлектронный транзистор

Одноэлектронный транзистор: если пара проводников, сверхпроводников или полупроводников разделена парой туннельных барьеров (диэлектриком), окружающих крошечный «островок проводимости», например квантовую точку, поток одного заряда (куперовская пара для сверхпроводников) может управляться затвором. Это т.н. одноэлектронный транзистор, подобный изображенному на рисунке 5.в выше. Увеличение положительного заряда на затворе позволяет электрону туннелировать на пресловутый «островок». Если он достаточно мал, низкая ёмкость приведёт к значительному росту точечного потенциала из-за одного-единственного электрона. Электроны больше не могут туннелировать на «островок» из-за электронного заряда. Это т.н. кулоновская блокада. Электрон, который туннелирует на «островок», может туннелировать в сток. Одноэлектронные транзисторы работают почти при абсолютном нуле. Исключение составляет одноэлектронный транзистор на основе графена, имеющий графеновый «островок». Но это всё пока что экспериментальные устройства.

Транзистор с графеном и углеродными нанотрубками

Графеновый транзистор: графит, аллотроп углерода, не имеет жёсткой взаимосвязанной кристаллической алмазной структуры. Тем не менее, он имеет кристаллическую структуру толщиной в один атом, т.н. двумерную структуру. Графит – это трёхмерный кристалл. Однако его можно разделить на тонкие листы. Экспериментаторы, доводя это до крайности, производят «пылинки» микронного размера толщиной в один атом, известный как графен (рисунок 6.а ниже). Эти мембраны обладают уникальными электронными свойствами. В частности, у них высочайшая проводимость, осуществляемая либо электронами, либо «дырками», без какого-либо легирования.

Слои графена можно разрезать на транзисторные структуры литографическими методами. Такие транзисторы чем-то похожи на полевые МОП-транзисторы. Затвор, ёмкостно связанный с графеновым каналом, контролирует проводимость.

По мере масштабирования кремниевых транзисторов до меньших размеров утечка увеличивается вместе с рассеиваемой мощностью. И каждые пару лет размеры транзисторов сокращаются вдвое. Графеновые транзисторы рассеивают совсем мало энергии. И они коммутируют со сверхскоростью. По всей видимости, в будущем графен – замена кремнию.

Из графена можно сделать устройства размером до шестидесяти атомов в ширину. Квантовые точки графена внутри такого маленького транзистора служат одноэлектронными транзисторами. Предыдущие одноэлектронные транзисторы, созданные либо из сверхпроводников, либо из обычных полупроводников, работают только при температурах, близких до абсолютного нуля. Одноэлектронные графеновые транзисторы работают только при комнатной температуре.

В настоящее время графеновые транзисторы – это лабораторная диковинка. Если через пару десятилетий они будут запущены в производство, на тот момент уже будут должны производиться графеновые пластины. Как первый шаг, производство графена методом химического осаждения из паровой фазы, был осуществлено пока в лабораторных масштабах. Впрочем, графеновых пластин пока нет.

Рис. 6. (а) Графен: отдельный лист графитового аллотропа углерода. Атомы расположены в гексагональной структуре с атомом углерода на каждом пересечении. (б) Углеродная нанотрубка: свернутый лист графена.

Транзистор с углеродными нанотрубками: если свернуть двумерный лист графена, полученная одномерная структура известна как углеродная нанотрубка (рисунок 6.б выше). Причина, по которой она считается одномерной, заключается в том, что трубка обладает высокой проводимостью. Электроны проходят через углеродную нанотрубку, не рассеиваясь на кристаллической решетке. Сопротивление в обычных металлах вызвано рассеянием электронов на металлической кристаллической решётке. Если электроны избегают этого рассеяния, считается, что проводимость осуществляется за счёт баллистического переноса. Были получены как металлические (действующие), так и полупроводниковые углеродные нанотрубки. Полевые транзисторы можно изготовить из углеродных нанотрубок, если разместить контакты истока и стока на концах и использовать ёмкостную «связь» затвора с нанотрубкой между контактами. Изготовлены подобные транзисторы как p-, так и n-типа. Откуда такой стойкий интерес к транзисторам из углеродных нанотрубок? Полупроводники на нанотрубках меньше, быстрее и потребляют меньше энергии по сравнению с кремниевыми транзисторами.

Спинтроника

Спинтроника: обычно полупроводники контролируют поток электронных заряженных частиц (ток). Цифровых состояния представлены триггером – или ток «Вкл.» или ток «Выкл.». По мере того, как полупроводники уплотняются и уменьшаются, рассеиваемая в виде тепла мощность возрастает до такой степени, что от неё сложно избавиться. Электроны обладают свойствами, отличными от заряда, такими как спин. Если утрированно объяснить, что такое спин электрона – то это вращение распределённого заряда электрона вокруг его оси вращения, это аналогично суточному вращению Земли. Контурные токи, создаваемые движением заряда, образуют магнитное поле. Однако электрон по своей природе больше похож на точечный заряд, чем на распределённый заряд. Поэтому, аналогия вращающегося распределённого заряда, по сути, не является правильным объяснением спина. Электронный спин может принимать одно из двух состояний: вверх или вниз, что можно интерпретировать как два возможных цифровых состояния. Если точнее, квантовое спиновое число (ms) может быть ±½ квантового числа углового момента (l).

Управление спином электронов вместо управления заряженным потоком значительно снижает рассеиваемую мощность и увеличивает скорость коммутации. Спинтроника (англ. spintronics является акронимом от spin transport electronics, т.е. спиновая транспортировочная электроника), пока широко не распространена из-за сложности генерации, управления и определения спина электронов. Однако энергонезависимая магнитная спиновая память высокой плотности производится с использованием модифицированных полупроводниковых процессов. Это связано с магнитной считывающей головкой с вращающимся клапаном, используемой в компьютерных жёстких дисках, но в рамках этой книги эти вопросы не разбираются.

Простой магнитный туннельный переход (МТП) показан на рисунке 7.а ниже, состоящий из пары ферромагнитных слоёв с сильными магнитными свойствами, таких как железо (Fe), разделённых тонким слоем диэлектрика. Электроны туннелируют через достаточно тонкий диэлектрик благодаря своим квантово-механическим свойствам (используется волновая природа электронов). Ток, протекающий через МТП, является функцией намагниченности (спиновой полярности ферромагнитных слоёв). Сопротивление МТП низкое, если магнитный спин верхнего слоя имеет такое же направление (полярность), что и нижний слой. Если магнитные спины двух слоёв противоположны, сопротивление выше.

Рис. 7. Магнитный туннельный переход (МТП): (а) пара ферромагнитных слоёв, разделённых тонким слоем диэлектрика (сопротивление меняется в зависимости от полярности намагничивания верхнего слоя); (б) смещаемый антиферромагнитный магнит и закреплённый нижний ферромагнитный слой увеличивает чувствительность сопротивления к изменениям полярности верхнего ферромагнитного слоя.

Изменение сопротивления может быть усилено добавлением антиферромагнетика, материала со спинами, выровненными, но противоположными (изображены под нижним слоем на рисунке 7.б выше). Этот смещаемый магнит удерживает спин нижнего ферромагнитного слоя в одной неизменной полярности. Намагниченность (спин) верхнего слоя может быть перевёрнута для представления данных путем приложения внешнего магнитного поля (на рисунке не показано). На закреплённый слой не действуют внешние магнитные поля. Опять же, сопротивление МТП является самым низким, когда спин верхнего ферромагнитного слоя имеет то же значение, что и нижний закреплённый ферромагнитный слой. МТП можно усовершенствовать, разделив закреплённый ферромагнитный слой на два слоя, разделённых буферным слоем (рисунке 8.а ниже). Это изолирует верхний слой. Нижний ферромагнитный слой закреплён антиферромагнетиком, как и на предыдущем рисунке. Ферромагнитный слой наверху буфера притягивается нижним ферромагнитным слоем. Противоположные заряды притягиваются. Таким образом, спиновая полярность дополнительного слоя противоположна таковой в нижнем слое (поскольку там притяжение). Нижний и средний ферромагнитные слои остаются неподвижными. Верхний ферромагнитный слой может быть настроен на любую полярность вращения за счёт высоких токов в соседних проводниках (на рисунке не показано). Собственно, так хранятся данные. Данные считываются по разнице тока, протекающего через туннельный переход. Сопротивление является минимальным, если слои с обеих сторон изоляционного слоя имеют одинаковый спин.

Рис. 8. (a) Разделение закреплённого ферромагнитного слоя на (б) буферный стабилизирующий слой и изолированный верхний ферромагнитный незакреплённый слой. Данные хранятся в верхнем ферромагнитном слое на основе спиновой полярности (б) МТП-ячейки, встроенной в линии считывания полупроводникового кристалла – показан один из многих МТП. Адаптировано из документации IBM.

Массив магнитных туннельных переходов может быть встроен в кремниевую пластину с проводниками, соединяющими верхнюю и нижнюю клеммы для считывания битов данных с МТП с помощью традиционной схемы КМОП (о которой подробно будет рассказано в V томе). Один такой МТП показан на рисунке 8.б выше со считывающими проводниками. Другой перекрёстный массив проводников (на рисунке не показан), несущий большие токи записи, переключает магнитный спин верхнего ферромагнитного слоя, в котором хранятся данные. Ток подаётся к одному из многих проводников «X» и «Y». Один МТП в массиве намагничен под пересечением проводников. Данные считываются, когда с помощью обычных кремниевых полупроводниковых схем измеряется ток МТП.

Главнейшая причина интереса к памяти на магнитных туннельных переходах заключается в том, что она энергонезависима. Память не теряет данные при выключенном питании. Другие типы энергонезависимой памяти могут иметь только ограниченные циклы хранения. Память МТП также имеет более высокую скорость, чем большинство типов полупроводниковой памяти. В настоящее время (2006 год) это успешно продаваемый коммерческий продукт.

А вот что пока что не является коммерческим продуктом и даже пока что существующее в виде концепции, так это теоретически возможный спиновой транзистор, который однажды может сделать возможными спиновые логические вентили. Спиновый транзистор является производной от теоретически возможного спинового диода. В какой-то момент стало известно, что электроны, протекающие через ферромагнетик кобальт/железо, поляризуются по спину. Ферромагнетик действует как фильтр, пропускающий преимущественно электроны с одним спином. Эти электроны могут течь в соседний немагнитный проводник (или полупроводник), сохраняя спиновую поляризацию на короткое время, буквально наносекунды. Однако спин-поляризованные электроны могут распространяться на значительное расстояние по сравнению с размерами полупроводника. Спин-поляризованные электроны могут быть обнаружены ферромагнитным слоем никель/железо, смежным с полупроводником.

Также было установлено, что поляризация электронного спина возникает, когда свет с круговой поляризацией освещает некоторые полупроводниковые материалы. Таким образом, должна быть возможность внедрять поляризованные по спину электроны в полупроводниковый диод или транзистор. Интерес к транзисторам и затворам на основе спина вызван недиссипативной (нерассеиваемой) природой распространения спина по сравнению с диссипативным потоком заряда. По мере уменьшения размеров обычных полупроводников рассеиваемая мощность увеличивается. В какой-то момент дальнейшее уменьшение масштаба потеряет практический смысл. Исследователи ищут замену традиционному транзистору на основе заряженного потока. Вполне возможно, что на замену придут устройства, основанные на спинтронике.

Итог

  • Поскольку оксид затвора МОП-транзистора становится всё более тонким с каждым поколением транзисторов меньшего размера, чрезмерная утечка в затворе вызывает неприемлемое рассеяние мощности и нагрев. Предел уменьшения традиционной геометрии полупроводников находится в пределах размеров волн видимого света.
  • Резонансный туннельный диод (РТД): в РТД используются квантовые механические эффекты, которые разрушают обычные полупроводники. Поток электронов через достаточно тонкий диэлектрик обусловлен волновой природой корпускулярно-волнового дуализма электронов. РТД работает как усилитель.
  • Двухслойный туннельный транзистор (Deltt): Deltt – это транзисторная версия РТД. Включение затвора контролирует способность электронов туннелировать через тонкий диэлектрик из одной квантовой ямы в другую (от истока к стоку).
  • Транзистор с квантовыми точками: квантовая точка, способная удерживать заряд, окруженная тонким туннельным барьером, заменяющим затвор обычного полевого транзистора. Заряд квантовой точки управляет истоком, отводящим ток.
  • Спинтроника: электроны обладают двумя основными свойствами: зарядом и вращением. Обычные электронные устройства контролируют поток заряда, рассеивая энергию. Устройства спинтроники управляют электронным спином, распространяющимся и недиссипативным процессом.

См.также

Внешние ссылки