Введение к работе
Актуальность темы
Одним из основных направлений развития интегральной электроники является создание более быстродействующих интегральных структур с низкой энергией переключения Основополагающим для данного направления является принцип микроминиатюризации, нашедший свое отражение в законе Мура
Несмотря на значительный прогресс в совершенствовании кремниевых КМОП-элементов, интегральных логических элементов на основе GaAs полевых транзисторов с управляющими переходами Шоттки (ПТШ) и селективно легированных гетеропереходных транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ), являющихся основой элементной базы современных сверхбольших интегральных схем (СБИС), переход характеристических размеров интегральных структур в область менее 100 нм обострил сложный комплекс проблем, связанных с короткоканальными эффектами, увеличением токов утечки и плотности мощности СБИС и др
Вследствие этого, проблема увеличения быстродействия и снижения энергии переключения интегральных элементов СБИС не может быть решена исключительно масштабированием в соответствии с неуклонно возрастающими возможностями микро- и нанотехнологии.
Альтернативным подходом является поиск новых методов построения интегральных элементов, обладающих достоинствами кремниевых КМОП-структур, интегральных элементов на основе GaAs ПТШ и НЕМТ, и в то же время позволяющих преодолеть основные ограничения, свойственные данным видам элементной базы, при переходе к характеристическим размерам нанометрового масштаба
Диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы увеличения быстродействия, снижения энергопотребления и повышения степени интеграции СБИС путем проведения исследований в области создания быстродействующих наноразмерных структур СБИС с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в связанных квантовых областях с взаимодополняющими типами проводимости на основе построения квантово-механических моделей и использования численных методов моделирования
Состояние вопроса
В начале нового столетия определяющими для элементной базы стали характеристические размеры нанометрового диапазона (100-10нм). Промышленные нормы современных микропроцессоров фирмы Intel составляют 90 - 65 нм Согласно прогнозам ведущих специалистов Intel, к 2009 году будет осуществлен переход к промышленным проектным нормам 30 нм и менее, что позволит получить эффективную длину канала транзистора 15 нм и при размерах кристаллов сверхбольших интегральных схем (СБИС) до 40 х 40 мм раз на них 109 и более элементов
Уменьшение характеристических размеров элементов СБИС позволяет соответствующим образом повысить их быстродействие и снизить энергию переключения Согласно прогнозам, время задержки интегральных КМОП-элементов уменьшится к 2009 г до значений 0,6 - 0,8 пс, а энергия переключения - до 10"18 Дж
Следует отметить, что столь резкое уменьшение характеристических размеров и повышение быстродействия интегральных структур требует значительных финансовых вложений, направленных на научные исследования и переоснащение технологического оборудования, и в целом не является результатом обычного масштабирования, что стимулируют поиск новых принципов построения наноразмерной элементной базы, которая, согласно прогнозам, займет лидирующие позиции уже в ближайшие годы
В основу данных прогнозов положены научно-технические достижения последних лет, связанные, в частности, с исследованиями наноструктур, имеющих характеристические размеры менее 10 нм и благодаря этому открывающих принципиальные возможности практического использования для повышения характеристик элементной базы наноэлектроники квантовых эффектов Практическая реализация подобных структур связана с необходимостью решения целого комплекса сложных научно-технических проблем В особенности это касается таких, безусловно перспективных, направлений развития наноразмерной элементной базы, как одноэлектроника, спинтроника, квантовые клеточные автоматы и квантовый компьютинг, реализация которых на сегодняшний день представляется возможной лишь в перспективе, поскольку, в частности, связана с использованием сверхнизких рабочих температур, недоступных вне лабораторных условий
Поэтому в настоящее время особое внимание уделяется направлениям развития наноразмерной .элементной базы, базирующимся на использовании гетеропереходов и сверхрешеток В рамках данных направлений успешно реализованы и используются в промышленных масштабах такие быстродействующие полупроводниковые структуры, как НЕМТ (High Electron Mobility Transistors), резонансно-туннельные диоды и транзисторы с резонансным туннелированием, транзисторы с модуляцией скорости (подвижности) носителей (Velocity Modulation Transistors - VMT) и др
Анализ принципов построения и различных конструктивно-технологических вариантов реализации перечисленных структур позволяет сделать вывод о том, что реализованные на данном этапе параметры гетеропереходных транзисторов не являются предельными
Таким образом, актуальна разработка новых методов построения наноразмерной элементной базы СБИС на основе слоистых гетероструктур, конструкций, моделей, методик моделирования и технологических маршрутов изготовления интегральных элементов, ориентированных на современный уровень развития полупроводниковой микро- и нанотехнологии, с целью дальнейшего увеличения быстродействия, снижения энергопотребления и повышения степени интеграции ИС
Цель работы
Целью диссертационной работы является разработка методов построения, моделей, методик моделирования и проектирования интегральных элементов СБИС на основе полупроводниковых наноразмерных гетероструктур с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда с целью решения проблемы увеличения быстродействия, снижения энергопотребления и повышения степени интеграции СБИС
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи
разработка методов построения быстродействующих интегральных логических элементов и аналоговых коммутаторов на основе управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в связанных квантовых областях с взаимодополняющими типами проводимости;
разработка моделей, методик и программных средств численного моделирования предложенных интегральных элементов на основе туннельно-связанных гетероструктур с взаимодополняющими типами проводимости;
разработка конструкций и библиотек интегральных логических элементов и элементов памяти на основе управляемой передислокации максимума волновой функции носителей заряда в связанных квантовых областях с взаимодополняющими типами проводимости;
разработка методик проектирования интегральных наноразмерных элементов на основе туннельно-связанных гетероструктур с взаимодополняющими типами проводимости и быстродействующих СБИС на их основе
Научная новизна:
разработаны методы построения быстродействующих интегральных логических элементов на основе управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в туннельно-связанных и совмещенных квантовых областях с взаимодополняющими типами проводимости;
разработаны методы построения быстродействующих интегральных аналоговых коммутаторов на основе управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в туннельно-связанных и объединенных квантовых областях с взаимодополняющими типами проводимости,
разработан метод анализа интегральных элементов с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в связанных квантовых областях на основе совместного численного
решения уравнений Шредингера и Пуассона, включая методику уточнения положения уровня Ферми,
- разработан метод повышения быстродействия и расширения диапазона
рабочих температур интегральных логических элементов на наноразмерных
комплементарных полевых транзисторах Шоттки, основанный на
температурной зависимости напряжения питания
Практическая значимость:
на основе предложенных методов построения наноразмерной элементной базы СБИС с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда разработаны и защищены патентами Российской Федерации конструкции интегральных логических элементов и аналоговых коммутаторов на основе связанных квантовых областей с взаимодополняющими типами проводимости, обеспечивающих по сравнению с аналогами уменьшение времени задержки до 0,5-0,1 пс, снижение энергии переключения до 1 аДж, а также сокращение площади, занимаемой элементами на кристалле, в 2 - 6 раз,
на основе предложенного метода анализа, основанного на совместном численном решений^ уравнений Шредингера и Пуассона для зоны проводимости и валентной зоны, разработаны программные средства численного моделирования интегральных элементов с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в связанных квантовых областях с взаимодополняющими типами проводимости,
на основе анализа полученных результатов численного моделирования разработана методика проектирования быстродействующих логических элементов СБИС с управляемой передислокацией максимума волновой функции носителей заряда в совмещенных комплементарных наноструктурах на основе сверхрешеток второго типа,
разработаны технологические маршруты изготовления интегральных логических элементов и коммутаторов на основе туннельно-связанных квантовых областей с взаимодополняющими типами проводимости;
с использованием разработанного совместно с ООО «Научно-образовательный центр ФИАН и МИЭТ (ТУ) «Квантовые приборы и нанотехнологии» (г Москва) технологического маршрута изготовлены экспериментальные образцы интегральных логических элементов и элементов памяти на основе туннельно-связанных квантовых областей с взаимодополняющими типами проводимости,
разработаны библиотеки параметризуемых субмикронных КМОП-элементов и наноразмерных логических элементов и элементов памяти на основе управляемой передислокации максимума волновых функций носителей заряда в связанных квантовых областях с взаимодополняющими типами проводимости;
- разработаны методика и программа автоматического проектирования
устройств статической оперативной памяти на основе параметризуемых
библиотек интегральных элементов, а также проекты блоков статических
ОЗУ Выработаны рекомендации по проектированию быстродействующих
СБИС наноэлектроники
Внедрение и практическое использование результатов работы Результаты диссертационной работы использованы в научных исследованиях и разработках Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону), Научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Южного федерального университета (г Таганрог), ГУ НПК «Технологический центр» МИЭТ (ТУ) (г Москва), ОАО НКБ ВС (г. Таганрог), ООО «Научно-образовательный центр ФИАН и МИЭТ (ТУ) «Квантовые приборы и нанотехнологии» (г. Москва), использованы в НИР, выполненных по заданиям Министерства образования и науки РФ, РАСУ РФ (г Москва), а также внедрены в учебный процесс подготовки студентов Технологического института ФГОУ ВПО «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
Апробаиия результатов работы
Основные результаты работы обсуждались и были одобрены на следующих научных конференциях
International Conferences "Micro- and nanoelectromcs" (Moskow - Zvenigorod, 2003,2005);
5th International Conference on ASIC (ASICON-2003) (Beijing, China, 2003), 1-st IEEE International Conference on Circuit and Systems for Communication (S -Petersburg, 2002),
International Congress of Nanotechnology (San Francisco, 2005),
IV International Seminar on Silicon Carbide and Related Materials (Novgorod the Great, Russia, 2002);
VII международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» -Ульяновск УлГУ, 2005,
III, IV и V международных научно-технических конференциях «Электроника и информатика» (Москва, 2000,2002,2005),
VI-X международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморское, 1999,2000,2002, 2004,2006),
V международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии». - Кисловодск-Ставрополь" СевКавГТУ, 2005;
I и II Всероссийских научно-технических дистанционных конференциях «Электроника» (г. Москва, 2001,2003);
- И Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные
технологии в науке, проектировании и производстве» (г Нижний Новгород,
2000)
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
методы построения и конструкции быстродействующих интегральных логических элементов и аналоговых коммутаторов на основе управляемой передислокации максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в туннельно-связанных квантовых областях с взаимодополняющими типами проводимости,
метод анализа интегральных элементов с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда в связанных квантовых областях на основе совместного численного решения уравнений Шредингера и Пуассона для зоны проводимости и валентной зоны, включая методику уточнения положения уровня Ферми,
метод повышения быстродействия и расширения диапазона рабочих температур интегральных логических элементов на наноразмерных комплементарных полевых транзисторах Шоттки, основанный на температурной зависимости напряжения питания
методика проектирования быстродействующих логических элементов СБИС с управляемой передислокацией максимума волновой функции носителей заряда в совмещенных комплементарных наноструктурах на основе сверхрешеток второго типа,
методика автоматического проектирования устройств статической оперативной памяти на основе параметризуемых библиотек интегральных элементов
Публикации
По теме исследований опубликована 61 печатная работа, в том числе монография, 22 научные статьи, из которых 15 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 12 патентов РФ, свидетельство о регистрации программы для ЭВМ
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, шести глав с выводами и заключения, а также списка литературы и приложений Работа изложена на 386 страницах машинописного текста и содержит список литературы на 13 страницах, 273 рисунка, 9 таблиц
