Yarı iletken endüstri, Moore Yasasına uygun olarak sonsuza kadar daha küçük transistör boyutları takip ettiğinde, daha önce düşünülemez bir kuantum mekanik etkisi, bir sonraki cihaz performansı ve güvenilirlikte hakim bir faktör haline gelmiştir.Kuantum tünelleme, parçacıkların klasik fizik tarafından yasaklandığı fenomen, şimdi operasyon üzerindeki derin etkisini ve elektrik tüketimini azaltır ve tünellemenin temel sınırlarının bir sonraki nesillerini tasarlamak için gereklidir.

Kuantum Tünelinin Fiziki

Kuantum tüneli, maddenin dalga-parçası dualitesinden ortaya çıkar. Klasik mekaniklerde, enerji ile bir elektron bariyerle geçer:0)E), yüksek çözünürlükte ve bariyerle yüksek çözünürlükte bulunan bir dalga fonksiyonunun potansiyel bariyeriyle karakterize edilir.[Düzere 3 )[Düzersiz bir olasılıktır.

Yarı iletken cihazlarda tünelleme için matematiksel temel genellikle Wentzel-Kramers-Brilouin (WKB) yaklaşık olarak tanımlanır.Bir boyutlu dikdörtgen bariyer için, iletim katsayı:0)T).

[FONT:0][DÜDÜT:1) ⁇ exp ( -2 * ⁇ (2m* (V(x)-E) / ⁇ dx )

m* etkili kütle, V (x) potansiyel profili ve ⁇ azaltıcı Planck sabiti vurgular, ancak yüksek boyutlu etkiler ve kalın fiziksel oksitlerin tüneli bastırabilir: etkili bariyer yüksekliği ve genişliğini arttırırlar.

Tarihsel Context

Kuantum tüneli ilk olarak 1920'lerde alfa çürümesi bağlamında gözlemlendi ve daha sonra tünel diyotlarında yarı iletkenliklere uygulandı (Leo Esaki, 1957). Geç 10 nm'nin altında 100 nm'nin altında, son derece tünel ve drenaj, hem de son derece önemli bir zorluk oldu. Uluslararası Teknoloji Yolum, her iki mantık hem de hafıza teknolojileri için bir kez tünel açtı.

Ultra-Scaled yarı iletken cihazlar üzerindeki etkisi

Kuantum tüneli, modern transistör operasyonun neredeyse her yönünü etkiler, statik güç tüketiminden dinamik performansa etkiler. Aşağıda en kritik etkileri inceliyoruz.

Kapı Oksit Tünel ve Leakage Currents

Geleneksel planlı MOSFET'lerde, kapı oksit ( ⁇ dioksit) kalınlığı agresif bir şekilde kontrol ve mevcut sürücüyü geliştirmek için ölçeklendi. Ancak, yaklaşık 2 nm, oksit üzerinden doğrudan tünelleme önemli hale gelir.BuurD) Sert fiziksel bir tabaka ile aynı zamanda elektriksel bir ısıtılmış, yüksek çözünürlükte bulunan tünel/sağlık)

Tünelcilik nedeniyle sızıntı akımları mantık transistörleri ile sınırlı değildir. Flash bellekte, şarj depolama katmanları program /erase operasyonları için tünele güveniyor, ancak istenmeyen sızıntının yetersiz kalmasına neden olabilir. DRAM, kapasitör dielektrik üzerinden tünelleme yenileme oranları ve güç tüketimi artırabilir.

Kısa-Channel Etkileri ve Performans Degradasyon

Tünelli exacerbates kısa kanal etkileri (SCEs), özellikle de [[Dönetici:0)drain-indüklenen bariyer daha düşük (DIBL)) ve [[Döneticileri:2|Dönderlik gerilimi (Dönetici) ile yüklenebilir.Bu fenomen, yüksek bir kanalda, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte olan yüksek basınç limiti azaltılabilir.

Güç tüketimi ve ısı Yönetimi

Tünelli sızıntı akımları ile, statik güç bileşeni gelişmiş düğümlerde dinamik güçle karşılaştırılabilir hale geldi. Yüksek performanslı işlemciler için, toplam çip gücü% 30-50 için sızıntı gücü hesap verebilir[Dönemli, ısıtılmalıdır, ısıtılmalıdır) ve ısıtılabilir.In mobile ve IoT cihazlarda, batarya yaşamı doğrudan etkiler[Döneticileri azaltmak için, yüksek performanslı makineler için kullanılan tekniklere sahipler.

Güvenilirlik İlişkisi

Tünel kontrolü birkaç aşınma mekanizmasına katkıda bulunur.(0)Bias sıcaklık istikrarsızlığı (BTI)[TDDB)[PBTI) ve pozitif (PBTI) - sonunda sıcak taşıyıcıların kapısına kadar hızlanması, zaman içinde yük devretme ihtiyacı olan tuzaklar oluşturmak için hızlanır.

Mühendislik Stratejileri Mitigate Tüneling Effects

Tünel tarafından uygulanan sınırlamaları kabul etmek yerine, yarı iletken endüstri zengin bir malzeme, cihaz mimarisi geliştirdi ve istenmeyen sonuçlarını bastırmak için tasarım teknikleri geliştirdi.

Malzeme Yeniliği

Tüneli azaltmak için en doğrudan yaklaşım, etkili bariyer yüksekliği ve genişliği artırmaktır.))Yüksek kaliteli (Dördüşük)[Dörtücük)[Dörtücük)) ve aynı kapasiteyi korumak için fiziksel olarak daha yüksek bir kontrol sağlar.

Başka bir malzeme sınırı, ►D materyallerinin tanıtımıdır (örneğin, transen ve geçiş metal dichalcogenides (e.g., MoS) Atomlu ince doğa, yeni bir tünelcilik meydan okuması ve fırsatlar seti sunar. Örneğin, MoS).2)[FLT[FLT[D)[D)

Cihaz Mimarisi Değişiklikleri

Belki de en başarılı mitigation stratejisi, planlı transistörlerden üç boyutlu mimariye geçiş olmuştur.ETHFLT:0)FinFETs), 22 nm node (Intel, 2011), kanalda, daha iyi bir elektrostatik kontrol sağlar ve kaynak-drain sızıntısını azaltır.

Süreç ve Tasarım Teknikleri

Devre seviyesinde, tasarımcılar çeşitli teknikleri kullanırlar.:0)Halo doping)[Dönetici implantlar) kaynağın yakınında yüksek dozlama konsantrasyonunu artırmak ve tünelleme olasılığını azaltır.[FONT=D][/FONT=)

Suppression'ın Ötesinde: Roman Cihazları için Harnessing Tüneling

Tünel genellikle sınırlı bir faktör olarak görülürken, Moore Yasasını uzatabilecek veya tamamen yeni işlevsellik sunabilecek birkaç umut verici yeni cihaz konseptine de olanak sağlar.

Tünel Alanı-Effect Transistors (TFETs)

TFETs, altmış eğimli eğimli geçiş yerine bant-to-band tünelini kullanıyor.Çünkü tüneller, yüz algılamaları ile alt yapılışları elde edebilir (örneğin, Si-SiGe, III-V malzemeleri) tünel-paratorluk işlemine izin verir.

Olumsuz Capacitance FETs (NC-FETs)

Başka bir yükselen cihaz, geçiş için tünele güvenmeksizin altı hurma yüzeyinin potansiyelini yükselten olumsuz bir etki yaratıyor. Ancak, ferroelektrik tabakasının kendisi çok ince olup olmadığını tünele konu olabilir. NCFETs hızla ilerliyor, birkaç nesil için CMOS ölçeklendirmesini artırabilir.

Kuantum Dot ve Single-Electron Transistors

Son ölçeklendirme limitinde, 03.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.

Memory Technologies'de Tünelleme

[FONT=0]Flash bellek[[DDDD 3], şarj tabakaları ve poli ⁇ kanallarının, yüzen kapılardaki yüksek çözünürlükte depolanması için ince bir oksit üzerinden tünele geçiş yapar.

Future Perspectives ve Road Ahead

Yarı iletken endüstri, kuantum tünelinin hakim olduğu temel fiziksel sınırlara yaklaşıyor. şu anda geliştirme altında 2 nm ve 1.4 nm düğümleri ( 2025-2030) muhtemelen GAA mimarisini nano tablolarla veya forksheet cihazları ile çalıştıracaktır.Farklı kanal malzemelerinin Heterojen entegrasyonu (örneğin, n-tip, SiGe veya Ge, p-tipler için) daha iyi bir şekilde, mobilite ve tünelleme yoluyla dengeyi optimize edebilir.

Malzemeler önünde, [[0)2D yarı iletkenler [DDDÜDÜSÜDÜSÜDÜSÜSÜDÜ:2)[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜye Olmayanlar) Bu arada, nanotüpler[DÜye Olmayanlar) yüksek taşıma özelliklerine sahip, yüksek yeraltı suyu kontrolleri nedeniyle 10 nm kanallarını da genişletiyor.

Güvenilirlik tünelinin rolü, atomik boyutlara yaklaşacak kadar daha da kritik hale gelecektir. Örneğin, 3 nm node, kapı oksit sadece üç ila dört atom tabakaları kalın, stokastik arıza olayları için savunmasız hale getirebilir.Probabilistic modellemesi, kabul edilebilir ve ömür boyu sağlamak için gerekli olacaktır.

Ayrıca tünelin kuantum hesaplamada iki rol oynamasını bekleyebiliriz. Yarı iletken spin ipuçları, örneğin, dots mediates değişim etkileşimleri arasında tünellemenin nerede olduğunu kuantum dots kullanabilir. istenmeyen tünellemeyi çevreye (decoherence) yükselterek, aynı fenomenin yeniden birleşmesini sağlayabilir.

Özetle, kuantum tüneli artık teorik bir merak değildir; ultra ölçekli yarı iletken cihazlardaki baskın fiziksel kısıtlamadır.In ingenious material science, device Engineering, and circuit design, industry has so far managed to keep tüneling on years., allows the next nesil of devices will require more agresif mitigation strategy - and a desire to kucaklamak için istekli, sadece bir sınırlama değil.

Daha fazla okuma için aşağıdaki kaynaklar yarı iletken cihazlarda tünelin ayrıntılı tartışmalarını sağlar:

  • [FONT=0)Quantum Tünelleme – Wikipedia[Dönemli: 1 )
  • [FONT:0]FinFET ve Gate-AllAround Transistors – IEEE Spectrum)
  • [0] Yüksek elektrikler Gelişmiş Nodes için yüksek elektrikler - yarı iletken Digest).
  • [0]A 2D yarı iletken transistör, kayıt ile kayıt ile eş zamanlı olarak – Doğa).