Первые прототипы нанотранзисторов
Нанотранзистор – это транзистор, размеры которого исчисляются нанометрами.
Первые образцы нанотранзисторов, разработанные в конце 1990-х годов, были относительно большими, потому что для их производства использовалась 20-нанометровая литография. Такие нанотранзисторы могли функционировать только при температуре жидкого гелия - 4,2 градуса по Кельвину. При комнатной температуре смогли заработать только те транзисторы с рабочей зоной 1-2 нанометра, что невозможно для современной литографии. Рабочие составляющие нанотранзисторов получили благодаря молекулярно-кластерной технологии, что позволяло размещать около 2500 элементов на одном квадратном микроне. В процессе разработки выяснилось, что для создания нанотранзисторов можно использовать существенно больше строительных материалов, что невозможно для современной полупроводниковой электроники, благодаря способности веществ изменять свою электронную структуру в зависимости от используемого объема. Большой кластер может быть проводником, а малый изолятором. Если учесть, что есть возможность комбинировать разнообразные химические элементы, изготавливая строительные блоки в виде гетероатомных кластеров, то количество блоков квантового наноконструктора огромно. Сейчас исследуются кластеры различной химической природы.
Литография – это вид печатной графики, который основан на технике плоской печати, при которой типографская краска под давлением переносится на бумагу с плоской печатной формы.
Виды нанотранзисторов. КНИ-транзисторы, транзисторы с двойным затвором
Современные кремниевые нанотранзисторы разработаны на базе микроэлектронных транзисторов, являющихся элементной базой нынешней микроэлектроники. Основа транзисторной кремниевой структуры - кремниевая МПД-структура. В процессе уменьшения длины канала, а следовательно, и длины затвора, достигнуто значение менее 100 нанометров, толщина подзатворного оксида сейчас составляет всего несколько слоев атомов. Это позволило увеличить быстродействие микропроцессоров, а также уменьшить потребление энергии. Одновременно с этим возросли токи утечки, в том числе благодаря туннельному электрическому току, который протекает через слой оксида. Данные токи утечки очень значительны даже для выключенного транзистора. Уменьшение толщины стока-истока сопровождается ростом сопротивления. В данном случае необходимо большее напряжение для переключения транзистора, но при этом возрастает плотность потребляемой энергии. Также рост напряжения сопровождается ростом вероятности пробоя слоя диэлектрика. Дальнейшее уменьшение длины канала требует увеличения степени легирования, что сопровождается уменьшением подвижности носителем и возрастанием порога включения транзистора. В настоящее время предложено несколько способов решения вопросов в области масштабирования:
- Одноэлектронные транзисторы.
- КНИ-транзисторы.
- Плавниковоподобные полевые транзисторы.
- Приборы с управляемой проводимостью канала.
- Транзисторы с двойным затвором.
У КНИ-транзисторов основание частично или полностью обедненно носителями. Из-за обеднения подложки зарядами электрическое поле в слое инверсии значительно меньше, чем в традиционных устройствах с сильнолегированной областью канала. Структуры с ультратонким основанием изготавливаются по различным технологиям. Например, по одной из них компания Intel создала транзистор TeraHertz. У данного транзистора толщина основания слоя кремния составляет порядка 30 нанометров. Для транзисторов TeraHertz характерны высокая стойкость к облучению и низкая емкость перехода. Они обладают низкой потребляемой мощностью и высоким быстродействием. У этих транзисторов существенное паразитное сопротивление, для снижения которого области истока-стока приподняты.
В транзисторах с двойным затвором вдвое увеличен ток самого транзистора. Самым распространенным транзисторов этого вида является FinFet-транзистор. В данном устройстве кремниевое тело имеет форму плавника, которое обернуто затвором. Затвором формируются два самосовмещающихся канала, которые располагаются с двух сторон тела. Передняя часть тела является истоком, а задняя стоком. Каналы индуцируются напряжением на затворах вдоль сторон пластины. Активная ширина транзистора равняется высоте плавника. Тело может быть увеличено посредством параллельного включения столбиков, которые формируют сток и исток. Таким образом формируется активная зона транзистора. Трехмерная конструкция позволяет снижать потери, связанные с выделением тепла. Технологией изготовления FinFet-транзистора предусмотрено формирование плавника - вставки толщиной 20 нанометров и высотой 180 нанометров методами фотолитографии.
