Квантовые приборы: за пределами CMOS — туннелирование, квантовые точки и спинтроника для будущей электроники

С 1960-х годов CMOS технология следовала предсказуемой траектории масштабирования: длины затвора сократились от микронного масштаба до 65-нм узлов в производстве, с 45-нм транзисторами, ожидаемыми к 2007. На 65-нм утечки тока, вызванные квантовым туннелированием, начинают доминировать, а на 45-нм требуется сложная инженерия для подавления утечки. Предел обычного масштабирования MOS транзисторов проецируется между 20- и 30-нм, некоторые эксперты называют 1–2 нм как конечную физическую границу. Фотолитография продолжит улучшаться, но суб-20-нм приборы требуют новых активных структур, использующих, а не борющихся с квантово-механическими эффектами.

Когда геометрии MOS приближаются к длине де Бройля электрона, туннелирование через затворной оксид и узкий канал становится значительным. Эта квантовая утечка заставляет индустрию исследовать приборы, использующие туннелирование для производительности и энергоэффективности. Ключевые кандидаты: резонансные туннельные диоды (RTD), двухслойные туннельные транзисторы (Deltt), металл-изолятор-изолятор-металл (MIIM) диоды, квантово-точечные транзисторы и графеновые приборы. Спиновые электроника (спинтроника) также предлагает недиссипативную альтернативу зарядочно-контролируемой логике.

Квантовое туннелирование

Квантовое туннелирование: Электрон ведёт себя как волна, способная проходить через изолирующий барьер тоньше своей длины волны, давая вероятность прохождения даже когда классическая физика предсказывает отражение.

Классически электрон должен обладать достаточной энергией для преодоления барьера; иначе он отражается. Квантовая механика допускает ненулевую вероятность нахождения электрона по другую сторону достаточно тонкого барьера. Вероятность туннелирования резко возрастает при уменьшении толщины барьера.

Туннельный диод

Туннельный диод: Диод Эсаки — ранний квантовый прибор, полагающийся на сильно легированную область обеднения — примерно в 1000 раз выше легирования стандартного выпрямителя — делая барьер достаточно тонким для туннелирования при соответствующем смещении.

Резонансный туннельный диод (RTD)

RTD: Квантовый прибор с двумя туннельными барьерами, разделяющими квантовую яму. Электроны проходят через прибор, когда энергия источника выравнивается с квантованным уровнем в яме — условие резонанса. Ток растёт при приближении смещения к резонансу, затем падает при расхождении энергий, давая естественное включение/выключение, способное заменить пары обычных транзисторов в логических ячейках.

RTD продемонстрировали частоты генерации до 712 ГГц. Их переключение on/off делает их привлекательными для сокращения числа компонентов, площади и потребления по сравнению с традиционными CMOS схемами. [GEP] [ERB]

Двухслойный туннельный транзистор (Deltt)

Deltt: Состоит из двух ультратонких проводящих ям (квантовых ям), разделённых высокоширокозонным изолятором, таким как GaAlAs. Когда затворные напряжения выравнивают энергетические уровни двух ям, электроны туннелируют через барьер, включая прибор. Избыточное смещение расстраивает уровни, выключая его. Прибор ведёт себя как комплементарная пара без отдельных p- и n-транзисторов, работая от ~100 мВ питания.

Прототипы Deltt работали при 4,2 К, 77 К и 0 °C; комнатная температура ожидается. [GEP] [IGB] [PFS]

Металл-изолятор-изолятор-металл (MIIM)

MIIM диод: Квантовый туннельный прибор с двумя изолирующими слоями между металлами. Изоляторы должны быть тоньше длины де Бройля электрона. Под прямым смещением квантовая яма образуется между изоляторами, драматически повышая вероятность туннелирования и давая резкую прямую характеристику. MIIM диоды превосходят обычные MIM диоды в частотной характеристике, достигая 3,7 ТГц. Добавление третьего электрода превращает структуру в транзистор. [PHI]

Квантово-точечный транзистор

Квантовая точка — изолированный наномасштабный проводник — может хранить дискретные заряды; точка 1–3 нм удерживает один электрон. Когда такая точка размещена над тонким изолятором и связана с затвором, затворное напряжение может выровнять энергетический уровень точки с источником, позволяя одному электрону туннелировать на точку («одноэлектронная коробка»). Встраивание точки между истоком и стоком превращает зарядовое состояние точки в затворно-контролируемую модуляцию истоково-стокового тока, аналогично RTD или Deltt. Этот подход позволяет одному типу транзистора формировать комплементарную логику. [GEP]

Одноэлектронный транзистор

Когда два туннельных барьера окружают крошечный проводящий островок, добавление одного электрона настолько меняет потенциал островка, что дальнейшее туннелирование блокируется — явление, называемое кулоновской блокадой. Этот механизм лежит в основе одноэлектронных транзисторов, обычно требующих криогенных температур. Графеновые островки, однако, продемонстрировали работу при комнатной температуре. [GEP]

Графеновые и нанотрубчатые транзисторы

Графеновый транзистор: Графен — одноатомный слой углерода — демонстрирует исключительную проводимость без легирования. Фабрикация транзисторов с графеновыми затворами показывает низкую рассеиваемую мощность и высокие скорости переключения, позиционируя графен как потенциальную замену кремнию. Графеновые квантовые точки позволяют одноэлектронное поведение при комнатной температуре. [AKG] [JWA]

Нанотрубчатый транзистор: Сворачивание графенового листа в трубку даёт одномерный проводник с баллистическим транспортом, минимизируя рассеяние. И металлические, и полупроводниковые нанотрубки интегрированы в полевые транзисторы, предлагая меньшие, быстрее и менее энергозатратные альтернативы кремнию. [MBR] [PNG]

Спинтроника

Спинтроника эксплуатирует спин электрона — вверх или вниз — как бинарное состояние, позволяя хранение данных и логику с минимальной диссипацией энергии. Магнитные туннельные переходы (MTJ) состоят из двух ферромагнитных слоёв, разделённых тонким изолятором; сопротивление перехода зависит от относительного выравнивания спинов. Добавление антиферромагнитного закрепляющего слоя стабилизирует опорную намагниченность, повышая чувствительность чтения/записи. Массивы MTJ, встроенные в кремниевые пластины, дают нелетучую, высокоскоростную память, уже существующую в коммерческих продуктах. [WJG] [IBM] [TLE]

Будущие спиновые транзисторы, пока не реализованные, могут позволить логическим гейтам передавать спин без движения заряда, драматически снижая энергопотребление. Спиновые инъекции через ферромагнитные контакты или циркулярно поляризованный свет продемонстрированы, открывая пути к спиновой электронике. [DDA] [RCJ2]

ОБЗОР:

• Утончение затворного оксида в MOS транзисторах вызывает недопустимую утечку и нагрев, отмечая практический предел обычного масштабирования.
• Резонансные туннельные диоды используют квантовое туннелирование для высокоскоростного, низкоэнергетического усиления.
• Deltt транзисторы контролируют туннелирование между квантовыми ямами, давая комплементарную логику без отдельных p- и n-приборов.
• Квантово-точечные транзисторы заменяют затвор одноэлектронным островком, модулируя ток через кулоновскую блокаду.
• Спинтроника манипулирует спином электрона вместо заряда, предлагая недиссипативную обработку данных.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

• Рабочий лист: Электрическая проводимость в полупроводниках