Электрические свойства нанотрубок для транзисторных технологий следующего поколения
Появление нанотрейдеров в полупроводниковой технологии
Неустанное стремление к миниатюризации в полупроводниковых устройствах привело к тому, что традиционные транзисторные архитектуры сжимаются ниже 10 нанометров, а такие проблемы, как эффекты коротких каналов, токи утечки и квантовое туннелирование, серьезно ухудшают производительность. Наноуэры — квазиодномерные структуры с диаметрами обычно от 1 до 100 нанометров — предлагают убедительный путь вперед. Их уникальная геометрия и электрические свойства, управляемые квантовым ограничением и высокими соотношениями поверхности к объему, обеспечивают беспрецедентный контроль над переносчиком. Эта статья обеспечивает всестороннее исследование электрических свойств нанопроводов, фокусируясь на их применении в транзисторных технологиях следующего поколения, включая воротные все-внешние (GAA) архитектуры, туннельные полевые транзисторы (TFET) и устройства за пределами CMOS.
Основы электрических свойств Nanowire
В основе функциональности нанопроводов лежит их электрическая проводимость, которая значительно отличается от объемных материалов. Снижение размерности приводит к дискретным электронным состояниям и изменяет плотность состояний (DOS), непосредственно влияя на мобильность, сопротивление и концентрацию носителя. Выбор материала - будь то элементарные полупроводники, такие как кремний (Si) и германий (Ge), составные полупроводники, такие как арсенид индия (InAs) или нитрид галлия (GaN), или углеродные аллотропы, такие как углеродные нанотрубки (CNTs) - определяет базовые транспортные характеристики. Однако диаметр, ориентация кристаллов, пассивация поверхности и геометрия затвора играют критически важную роль в формировании конечной производительности устройства. Понимание этих взаимозависимостей имеет важное значение для проектирования нанопроводных транзисторов, которые могут работать на терагерцовых частотах с подпороговыми колебаниями суб-10 мВ / десятилетие.
Перевозочная мобильность и баллистический транспорт
В объемных полупроводниках подвижность носителей ограничена рассеиванием фононов, рассеянием примесей и несовершенством решетки. Нанопровода из-за их ограниченного поперечного сечения могут приближаться к баллистическому режиму транспортировки, когда электроны перемещаются от источника к сливу без рассеяния. Это особенно выражено в материалах с высокой подвижностью, таких как InAs, где средние свободные пути превышают типичные длины канала. Однако рассеяние шероховатости поверхности становится доминирующим по мере уменьшения диаметра, особенно в кремниевых нанопроводах. Недавние исследования показали, что тщательная инженерия боковых стенок нанопроводов - посредством окисления, осаждения водорода или диэлектрического покрытия атомного слоя (ALD) - может уменьшить плотность поверхностной ловушки и восстановить подвижность до почти теоретических пределов. Например, кремниевые нанопровода с диаметрами 10 нм проявляют подвижность электронов, превышающую 800 см2 / В·с, по сравнению с <200 см2 / В·с в плоских устройствах с эквивалентной длиной затвора.
Квантовые эффекты конфайнмента
Когда диаметр нанопровода приближается к радиусу экситона Бора (≈5 нм для Si, ≈34 нм для InAs), квантовые эффекты удержания становятся доминирующими. Непрерывная проводимость и валентные полосы расщепляются на дискретные поддиапазоны, при этом расстояние между энергиями обратно пропорционально квадрату диаметра. Это приводит к расширению эффективного межполосного разрыва, что выгодно для уменьшения утечек в несостоянии в транзисторах. Кроме того, квантовое удержание увеличивает плотность состояний вблизи краев полосы, улучшая контроль затвора над электростатикой канала. В межполосных нанопроводных FETs подпороговый качель (SS) может приближаться к теоретическому пределу 60 мВ/десятилетие при комнатной температуре, а туннелирующие FETs на основе нанопроводов достигают под-30 мВ/десятилетние качели за счет использования туннелирования между полосами через квантово-замкнутый переход. Электростатическая целостность дополнительно улучшается благодаря цилиндрической геометрии, которая увеличивает эффективную емкост
Наноуэрная резистентность и контактное сопротивление
Одной из постоянных проблем в интеграции нанопроводных устройств является высокое сопротивление контактам между металлическими электродами и самой нанопроводкой. В отличие от плоских контактов, площадь контакта резко уменьшается, что приводит к значительному переполнению тока на стыке. Для нанопроводов с диаметрами ниже 10 нм барьеры Шоттки и защемление на уровне Ферми усугубляют проблему. Стратегии смягчения этих эффектов включают использование высокофункциональных металлов (например, никеля, платины) или проведение нитридов металла (например, TiN), внедрение сильно легированных удлинителей источника / дренажа посредством ионной имплантации или парожидкостных (VLS) контактов и использование теплового отжига для формирования силицидных или германидных контактов. Недавние исследования на никелевых моносилицидных (NiSi) контактах на кремниевых нанопроводах продемонстрировали контактные резистивности ниже 1×10-8 Ω·cm2, ключевая веха для высокочастотных и маломощных логических приложений. Кроме того, использование углеродных нанотрубок в качестве соединений наряду с нанопроводными
Наноуэр транзисторные архитектуры и физика устройств
Электрические свойства нанопроводов наиболее эффективны при переводе в фактические схемы транзисторов. Экспериментально было продемонстрировано несколько конфигураций, каждая из которых имеет различные преимущества для производительности, мощности или плотности.
Транзисторы с круговым полевым эффектом (GAA-FET)
Архитектура GAA-FET, где металлический затвор полностью окружает нанопроводной канал, обеспечивает превосходный электростатический контроль над потенциалом канала. Это устраняет зависимость от сильно легированных областей источника/дрена и обеспечивает чрезвычайно короткую длину затвора (до 5 нм) с минимальной утечкой. Внутренняя ограждающая емкость также снижается по сравнению с finFET. Например, недавняя демонстрация имеком 2-нм узла GAA-FET с использованием кремниевых нанопроводов с длиной затвора 12 нм и диаметром нанопровода 7 нм достигла тока ON 1,2 мА/мкм и тока OFF ниже 10 пА/мкм. Электрические свойства - в частности, способность поддерживать почти идеальный подпороговый наклон даже при высоком смещении стока - непосредственно приписываются квантово-ограниченному транспорту и цилиндрической геометрии затвора. Эти устройства теперь считаются основной заменой finFET за пределами 3 нм узла.
Транзисторы полевого действия туннелей (TFET) и устройства с крутым углом
Обычные MOSFET ограничены тиранией Больцмана, которая ограничивает подпороговый качель до 60 мВ/десятилетие при комнатной температуре. TFET преодолевают это, используя туннельное соединение полосы-диапазона (BTBT) в качестве механизма впрыска. Нанометры идеально подходят для TFET, потому что квантовое ограничение усиливает электрическое поле на туннельном переходе, увеличивая вероятность BTBT. Пониженная плотность состояний также подавляет амбивалярную проводимость. По оси нанопровода обычно выращивается сильно легированная структура p-i-n, с воротами, перекрывающими внутреннюю область. Используя InAs как нанопровода, исследователи достигли подпороговых качелей до 18 мВ/десятилетия за четыре десятилетия тока, наряду с коэффициентами ON/OFF, превышающими 106. Ключевой проблемой остается относительно низкий ток ON (обычно 10-100 мкА/мкм) из-за туннельного барьера. Для преодоления этого исследуются гетеропереходные
Нановир-ориентированная логика и интеграция памяти
Помимо логических транзисторов, нанопровода также исследуются для применения в энергонезависимой памяти. Например, кремниевые нанопроводные флэш-ячейки обеспечивают высокую выносливость и удержание благодаря квантовому ограничению, которое локализует сохраненный заряд. Аналогичным образом, резистивная память с произвольным доступом (RRAM) с использованием оксидных нанопроводов (например, HfOx, TaOx) демонстрирует превосходное единообразие переключения и низкое рабочее напряжение. Электрические свойства нанопровода позволяют осуществлять бесформенное переключение и многоуровневую работу ячеек, что позволяет использовать 3D-решения высокой плотности. Кроме того, интеграция логики и памяти на одной и той же нанопроводной платформе - часто называемой «нанопроводной системой на чипе» - является многообещающим маршрутом для нейроморфных вычислений и краевых ускорителей ИИ, где уникальная электростатика нанопроводов снижает энергопотребление на порядки по сравнению с обычными CMOS.
Материалы и синтез для оптимизации электротехнических характеристик
Уточнение электрических свойств нанопроводов начинается с метода синтеза. Два доминирующих подхода - снизу вверх (рост пар-жидко-твердый, эпитаксиальный рост с использованием эпитаксии металлоорганической фазы пара - MOVPE) и сверху вниз (литография электронно-лучевого излучения, реактивное ионное травление с последующим влажным окислением или тепловым отжигом). Каждый метод дает нанопровода с различной кристалличностью, допинговыми профилями и качеством поверхности, непосредственно влияя на электрическое поведение.
Кремний и германий нанотрейдеры
Кремниевые нанопровода остаются наиболее изученными из-за их совместимости с существующими CMOS-фабами. Электрические свойства, такие как эффективность активации донора и срок службы миноритарного носителя, очень чувствительны к кристаллической ориентации нанопровода. <111>-ориентированные Si-нанопровода обычно показывают более высокую подвижность отверстия, чем <100> ориентации, что делает их предпочтительными для устройств p-канала. Нанопровода германия предлагают еще более высокую термостабильность и подвижность отверстия (до 3900 и 1900 см2 / V·s, соответственно), но страдают от плохой термостойкости и узкой полосы пропускания, что приводит к высокой утечке. Недавние прорывы в пассивации поверхности Ge-нанопровода с использованием эпитаксиальной Si-оболочки или ALD Al2O3 снизили плотность ловушки интерфейса до менее 1011 см-2eV-1, обеспечивая конкурентоспособную производительность p-типа. Для каналов высокого подвижности следующего поколения нанопровода SiGe сплава (с содержанием Ge > 50%
III-V Состав полупроводниковых нановиров
Арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb) и арсенид галлия (GaAs) нанопровода привлекательны для высокоскоростных и маломощных применений из-за их высокой электронной мобильности и малой эффективной массы. В качестве нанопроводов, например, проявляют подвижность электронов, превышающую 10 000 см2/V·с в диаметрах 20–30 нм. Однако узкий разрыв полосы (0,35 эВ) приводит к большой утечке за пределами состояния, если не объединиться с широкополосными диэлектриками или шоттки-барьерами. Электрические свойства могут быть точно настроены растущими структурами ядра-оболочки: например, ядро InAs с оболочкой InP или AlSb уменьшает поверхностные состояния и повышает мобильность. Особенно интересным явлением является наблюдение топологической фазы изолятора в нанопроводах теллурида ртути (HgTe), где поверхностные состояния защищены от обратного рассеяния, обещая бесдисперсный транспорт для квантовых вычислений.
Углеродные нанотрубки и 2D-проволоки
Хотя строго не кристаллические нанопроволоки, углеродные нанотрубки (CNT) имеют квазиодномерную природу и проявляют экстраординарные электрические свойства. Хиральность определяет, является ли CNT металлическим или полупроводниковым; полупроводниковые одностенные CNT (SWCNT) показали баллистический транспорт на длинах микрометров, с электроном и подвижностью дырок до 100 000 см2 / V·s. Ключевая задача заключается в достижении точного контроля хиральности во время роста, хотя недавние достижения в сортировке CNT, обернутых ДНК, позволили >99% полупроводниковой чистоты. Для транзисторов массивы выровненных CNT обеспечивают требуемый ток привод (до 1 мА / мкм) при сохранении крутого SS. Аналогично, нанопроволоки переходного металла (TMD), извлеченные из 2D-кристаллов, демонстрируют сильное квантовое удержание и высокие соотношения ON / OFF (108). Однако их боковые размеры ограничены, и электрические свойства часто ухудшаются контактным сопротивлением. Тем не менее
Преодоление препятствий: фабрикация, изменчивость и надежность
Несмотря на многообещающие электрические свойства, широкое распространение нанопроводных транзисторов сталкивается с несколькими значительными барьерами.Для их решения требуется агрессивное масштабирование метрологии, проектирование для производства и фундаментальная материаловедение.
Унифицированность изготовления и допинг-контроль
Сверху вниз изготовление нанопроводов по всей 300-мм пластине дает значительные изменения в диаметре (до ± 2 нм), что приводит к нежелательному пороговому напряжению (]VTТТ) вариации из-за квантовой чувствительности удержания.Для смягчения этого, передовые методы литографии — такие как экстремальное ультрафиолетовое (EUV) множественное узорообразование и направленная самосборка (DSA) — используются для определения нанопроводных каналов с точностью до 2 нм. Альтернативой является использование так называемой «вертикальной нанопроводной» архитектуры, где нанопровода выращиваются эпитаксиально на кремниевых подложках, обеспечивая высокую однородность через механизм сопоставления решёток. Однако традиционная ионная имплантация вызывает аморфизацию и повреждение, в то время как допинг in situ во время роста VLS часто приводит к радиальному неоднородности (MLD) и ди
Термическое управление и рассеивание энергии
По мере сокращения устройств тепловой поток на единицу площади резко увеличивается. Высокое соотношение поверхности к объему нанопроводов усугубляет тепловое узкое место, поскольку теплопроводность нанопроводов на порядки ниже, чем объемная (например, нанопроводная теплопроводность ~20 Вт / м·К против 150 Вт / м·К для объемной Si). Это самонагрев снижает мобильность, увеличивает утечку и ухудшает надежность. Будущие конструкции должны включать эффективное удаление тепла через затвор диэлектрика (с использованием материалов с высокой теплопроводностью, таких как алмазоподобный углерод) или путем встраивания нанопроводов в теплораспределяющую матрицу (например, графен или сильно легированный SiC). Вертикальные нанопровода, в частности, обеспечивают лучшее тепловое рассеивание, потому что тепло может течь вниз в подложку и вверх через контакт с дренажом. Кроме того, методы проектирования схем с учетом мощности, такие как динамическое напряжение и частотное масштабирование (DVFS) и мелкозернистое энергетическое нагнетание, могут смягчить тепловое напряжение в ядра
Долгосрочная надежность и дефект толерантности
Транзисторы Nanowire подвержены нестабильности температуры смещения (BTI), распаду горячего носителя (HCD) и зависящему от времени диэлектрическому разрушению (TDDB). Высокое электрическое поле в оксиде затвора из-за цилиндрической геометрии - особенно на углах нанопровода - ускоряет износ оксида. Использование диэлектриков высокого класса, таких как HfO2, в сочетании с межфазным оксидным слоем (например, SiOx) уменьшает поле и повышает надежность. Кроме того, присущая дефектоустойчивость нанопроводов может быть увеличена за счет избыточности: проектирование логических ячеек с несколькими параллельными нанопроводными каналами, которые могут выдерживать потерю нескольких параллельных нанопроводов без функционального сбоя. Недавние исследования показали, что нанопроводные GAA-FET кремния могут выдерживать 107 циклов переключения с менее чем 5% [FLT: 1]] T [[FLT: 2]] T [[FLT: 2]] T [[FLT: 3]] сдвиг, уровень,
Будущие направления: за пределами КМОП и гетерогенной интеграции
Электрические свойства нанопроводов позиционируют их как ключевые факторы для многочисленных технологий после Мура. Исследователи расширяют границы в нескольких областях, которые могут изменить полупроводниковый ландшафт в течение следующего десятилетия.
Нанометровые квантовые вычисления
Дискретные уровни энергии и спин-орбитальное соединение в полупроводниковых нанопроводах (особенно InAs и InSb) сделали их платформой выбора для нулевых режимов Majorana, которые являются топологическими кубитами, невосприимчивыми к декогеренции. В этих устройствах сверхпроводник (например, Al или Nb) осаждается на нанопроводе, и электрическая проводимость показывает пик нулевой степени, который сигнализирует о наличии связанного с Majorana состояния. Способность настраивать химический потенциал через напряжение затвора использует те же электрические свойства, которые повышают производительность транзистора, а именно, высокий г-фактор и сильное взаимодействие спин-орбит. Хотя все еще на докоммерческой стадии масштабируемые архитектуры с использованием массивов 10-100 нанопроводных кубитов на CMOS-совместимом чипе прототипируются группами в Делфте, Microsoft Station Q и Копенгагенском университете.
Искусственный интеллект и машинное обучение для Nanowire Design
Учитывая огромное пространство параметров (материал, диаметр, длина затвора, допинг, температура), машинное обучение все чаще используется для прогнозирования электрических свойств нанопроводов и оптимизации конструкции устройства. Нейронные сети, обученные на больших наборах данных из моделирования TCAD или экспериментальных измерений, могут прогнозировать мобильность носителей, выход тока и утечку с точностью до нескольких процентов. Например, случайная лесная модель может быстро отображать радиус нанопровода и шероховатость поверхности в соотношении баллистичности, позволяя дизайнерам выбирать оптимальные размеры без исчерпывающего моделирования. Этот подход с помощью ИИ уже ускоряет циклы исследований и разработок на крупных полупроводниковых литейных заводах и может в конечном итоге привести к «самопроектированию» нанопроводных схем, которые адаптируют свои электрические свойства в реальном времени.
Интеграция с нейроморфными схемами, вдохновленными мозгом
Характеристики крутых и маломощных нанопроводов TFET делают их идеальными кандидатами для искусственных синапсов и нейронов. Мемристивные нанопроводные массивы, где состояние проводимости каждого нанопроводного соединения может быть запрограммировано электрическими импульсами, имитируют пластичность биологических синапсов. Недавние эксперименты с использованием серебряных нанопроводов SiOx достигли нанопроводности, зависящей от спайка, с энергией на спайк менее 1 fJ, что позволяет ультраэффективно распознавать шаблоны. Более сложные нейроморфные ядра могут быть построены путем подключения нанопроводных полевых транзисторов в самоорганизующейся сети, имитируя массивный параллелизм мозга. Электрические свойства - особенно настраиваемые характеристики I-V и стохастичность, присущая наноразмерным устройствам - являются особенностью, а не ошибкой, для реализации байесовского вывода и выборки Монте-Карло в аппаратном обеспечении.
Заключение
Нанометры стали преобразующей платформой для транзисторов следующего поколения, используя их уникальные электрические свойства - квантовое ограничение, баллистический транспорт и исключительный электростатический контроль - для преодоления ограничений плоского CMOS. От кремниевых GAA-FET на 2-нм узле до крутых TFET и за его пределами, повышение производительности в скорости, энергоэффективности и масштабируемости хорошо документированы. Путь от лабораторного любопытства к коммерческой реальности чреват проблемами: изменчивость производства, управление температурой и качество материала должны решаться с помощью инноваций в синтезе, архитектуре устройства и допуске уровня схемы. Тем не менее потенциальные выгоды - включая гетерогенную интеграцию, квантовые вычисления и нейроморфный интеллект - оправдывают продолжающиеся инвестиции. Поскольку полупроводниковая промышленность поворачивается к миру, где размеры функций приближаются к атомным размерам, электронные свойства нанопроводов будут определять скорость и направление технологических изменений. Будущее электроники, буквально, наномасштабно.