Наносхемы — это электрические схемы, работающие в нанометровом масштабе, где квантово-механические эффекты становятся важными. Один нанометр равен 10 −9 метрам или ряду из 10 атомов водорода. С такими постепенно уменьшающимися схемами больше можно разместить на компьютерном чипе. Это позволяет выполнять более быстрые и сложные функции, используя меньше энергии. Наносхемы состоят из трех различных основных компонентов. Это транзисторы , межсоединения и архитектура , все они изготовлены в нанометровом масштабе.
Было сделано множество предложений по внедрению наносхем в различных формах. К ним относятся нанопровода , одноэлектронные транзисторы , клеточные автоматы на квантовых точках и наноразмерные кросс-барные защелки . Однако, вероятнее всего, в более близкой перспективе подходы будут включать внедрение наноматериалов для улучшения МОП-транзисторов (полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник). В настоящее время они составляют основу большинства аналоговых и цифровых схем, масштабирование которых управляет законом Мура . Обзорная статья [1], посвященная конструкции МОП-транзистора и ее будущему, была опубликована в 2004 году, в которой сравнивались различные геометрии МОП-транзисторов при уменьшении масштаба и отмечалось, что вертикальные канальные полевые транзисторы с круглым поперечным сечением являются оптимальными для уменьшения масштаба. Эта конфигурация может быть реализована с высокой плотностью с использованием вертикальных полупроводниковых цилиндрических каналов с наномасштабными диаметрами, и Infineon Technologies и Samsung начали исследования и разработки в этом направлении, что привело к некоторым базовым патентам [2] [3] с использованием нанопроводов и углеродных нанотрубок в конструкциях МОП-транзисторов. В альтернативном подходе [4] Nanosys использует процессы осаждения и выравнивания на основе раствора для формирования шаблона предварительно изготовленных массивов нанопроводов на подложке, которые будут служить в качестве бокового канала полевого транзистора. Хотя использование предварительно изготовленных нескольких нанопроводов для канала не обеспечивает той же масштабируемости, что и полевые транзисторы с одиночной нанопроводимостью, использование предварительно изготовленных нескольких нанопроводов для канала повышает надежность и снижает производственные затраты, поскольку для осаждения нанопроводов при более низкой температуре могут использоваться процессы печати большого объема, чем при обычных процедурах изготовления. Кроме того, из-за осаждения при более низкой температуре в качестве несущей подложки для транзисторов может использоваться более широкий спектр материалов, таких как полимеры, что открывает двери для гибких электронных приложений, таких как электронная бумага, гибкие плоские панели и широкополосные солнечные элементы.
Одной из самых фундаментальных концепций для понимания наносхем является формулировка закона Мура . Эта концепция возникла, когда соучредитель Intel Гордон Мур заинтересовался стоимостью транзисторов и попытался уместить больше на одном чипе. Она гласит, что количество транзисторов, которые можно изготовить на кремниевой интегральной схеме, и, следовательно, вычислительные возможности такой схемы, удваиваются каждые 18–24 месяца. [5] Чем больше транзисторов можно разместить на схеме, тем больше вычислительных возможностей будет у компьютера. Вот почему ученые и инженеры работают вместе, чтобы производить эти наносхемы, чтобы все больше и больше транзисторов можно было разместить на чипе. Несмотря на то, как хорошо это может звучать, возникает много проблем, когда так много транзисторов упаковано вместе. Поскольку схемы настолько малы, у них, как правило, больше проблем, чем у более крупных схем, в частности, с теплом — количество мощности, подаваемой на меньшую площадь поверхности, затрудняет рассеивание тепла, это избыточное тепло вызовет ошибки и может разрушить чип. Наномасштабные схемы более чувствительны к изменениям температуры, космическим лучам и электромагнитным помехам, чем современные схемы. [6] По мере того, как все больше транзисторов упаковываются на чипе, такие явления, как паразитные сигналы на чипе, необходимость рассеивать тепло от стольких плотно упакованных устройств, туннелирование через изоляционные барьеры из-за малого масштаба и трудности изготовления, остановят или значительно замедлят прогресс. [7] Наступит время, когда стоимость создания еще меньших схем станет слишком высокой, а скорость компьютеров достигнет максимума. По этой причине многие ученые считают, что закон Мура не будет действовать вечно и вскоре достигнет пика, поскольку закон Мура в значительной степени основан на вычислительном приросте, вызванном улучшениями в технологиях микролитографического травления.
В производстве этих наносхем задействовано много аспектов. Первая часть их организации начинается с транзисторов. На данный момент большая часть электроники использует транзисторы на основе кремния. Транзисторы являются неотъемлемой частью схем, поскольку они управляют потоком электричества и преобразуют слабые электрические сигналы в сильные. Они также управляют электрическим током, поскольку могут включать и выключать его или даже усиливать сигналы. В настоящее время схемы используют кремний в качестве транзистора, поскольку его можно легко переключать между проводящим и непроводящим состояниями. Однако в наноэлектронике транзисторы могут быть органическими молекулами или наномасштабными неорганическими структурами. [8] Полупроводники , которые являются частью транзисторов, также изготавливаются из органических молекул в наносостоянии.
Вторым аспектом организации наносхемы является взаимосвязь. Это включает в себя логические и математические операции и провода, соединяющие транзисторы вместе, которые делают это возможным. В наносхемах нанотрубки и другие провода толщиной в один нанометр используются для соединения транзисторов вместе. Нанопровода изготавливались из углеродных нанотрубок в течение нескольких лет. Еще несколько лет назад транзисторы и нанопровода собирались вместе для создания схемы. Однако ученым удалось создать нанопровод с транзисторами в нем. В 2004 году пионер нанотехнологий Гарвардского университета Чарльз Либер и его команда создали нанопровод — в 10 000 раз тоньше листа бумаги — который содержит цепочку транзисторов. [9] По сути, транзисторы и нанопровода уже предварительно соединены, чтобы исключить сложную задачу попытки соединить транзисторы вместе с помощью нанопроводов.
Последняя часть организации наносхемы — архитектура. Это объясняется как общий способ соединения транзисторов, так что схема может подключаться к компьютеру или другой системе и работать независимо от деталей более низкого уровня. [10] Поскольку наносхемы настолько малы, они обречены на ошибки и дефекты. Ученые придумали способ обойти это. Их архитектура объединяет схемы, которые имеют избыточные логические вентили и взаимосвязи, с возможностью перенастраивать структуры на нескольких уровнях на чипе. [11] Избыточность позволяет схеме определять проблемы и перенастраивать себя, чтобы схема могла избежать еще больших проблем. Она также допускает ошибки внутри логического вентиля и при этом работать правильно, не выдавая неправильный результат.
В 1987 году исследовательская группа IBM под руководством Биджана Давари продемонстрировала полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) с толщиной оксида затвора 10 нм , используя технологию вольфрамового затвора. [12] Многозатворные MOSFET позволили масштабировать длину затвора менее 20 нм, начиная с FinFET (fin field-effect transistor), трехмерного неплоского MOSFET с двойным затвором. [13] FinFET берет свое начало в исследовании Дига Хисамото в Центральной исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году. [14] [15] [16] [17] В Калифорнийском университете в Беркли устройства FinFET были изготовлены группой, состоящей из Хисамото вместе с Чэньмингом Ху из TSMC и другими международными исследователями, включая Цу-Дже Кинг Лю , Джеффри Бокора , Хидеки Такеучи, К. Асано, Якуба Кедзиерска, Сюэцзюэ Хуана, Лиланда Чанга, Ника Линдерта, Шибли Ахмеда и Сайруса Табери. Команда изготовила устройства FinFET до 17 нм процесса в 1998 году, а затем до 15 нм в 2001 году. В 2002 году команда, включающая Ю, Чанга, Ахмеда, Ху, Лю, Бокора и Табери, изготовила 10 нм устройство FinFET. [13]
В 2005 году индийские физики Прабхакар Бандару и Аппарао М. Рао из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали самый маленький в мире транзистор, полностью изготовленный из углеродных нанотрубок . Он предназначался для использования в наносхемах. Нанотрубки представляют собой свернутые листы атомов углерода и более чем в тысячу раз тоньше человеческого волоса. [ необходима цитата ] В 2006 году группа корейских исследователей из Корейского передового института науки и технологий (KAIST) и Национального центра Nano Fab разработала 3 нм МОП-транзистор, самое маленькое в мире наноэлектронное устройство, основанное на технологии Gate-all-around (GAA) FinFET. [18] [19]
Обычно схемы используют транзисторы на основе кремния , но углеродные нанотрубки предназначены для их замены. Транзистор имеет две разные ветви, которые встречаются в одной точке, что придает ему форму буквы Y. Ток может протекать по обеим ветвям и контролируется третьей ветвью, которая включает или выключает напряжение. Этот новый прорыв теперь может позволить наносхемам полностью соответствовать своему названию, поскольку они могут быть сделаны полностью из нанотрубок. До этого открытия логические схемы использовали нанотрубки, но нуждались в металлических затворах, чтобы иметь возможность контролировать поток электрического тока .
Вероятно, самое большое потенциальное применение наносхем связано с компьютерами и электроникой. Ученые и инженеры всегда стремятся сделать компьютеры быстрее. Некоторые думают, что в ближайшей перспективе мы могли бы увидеть гибриды микро- и нано-: кремний с наноядром — возможно, высокоплотную компьютерную память, которая сохраняет свое содержимое навсегда. [20] В отличие от обычного проектирования схем, которое переходит от чертежа к фотографическому образцу и чипу, проектирование наносхем, вероятно, начнется с чипа — беспорядочного нагромождения из 1024 компонентов и проводов, не все из которых будут работать, — и постепенно превратится в полезное устройство. [21] Вместо традиционного подхода «сверху вниз» вскоре, вероятно, придется принять подход «снизу вверх» из-за огромного размера этих наносхем. Не все в схеме, вероятно, будет работать, потому что на наноуровне наносхемы будут более дефектными и неисправными из-за своей компактности. Ученые и инженеры создали все основные компоненты наносхем, такие как транзисторы, логические вентили и диоды. Все они были построены из органических молекул , углеродных нанотрубок и нанопроволочных полупроводников. Единственное, что осталось сделать, это найти способ устранить ошибки, которые возникают с таким маленьким устройством, и наносхемы станут способом всей электроники. Однако в конечном итоге будет предел того, насколько малыми могут стать наносхемы, и компьютеры и электроника достигнут своих равновесных скоростей.