Материалы и устройства наноэлектроники. Электроника после Мура


А. И. Белоус, В. А. Солодуха







            МАТЕРИАЛЫ И УСТРОЙСТВА НАНОЭЛЕКТРОНИКИ


ЭЛЕКТРОНИКА ПОСЛЕ МУРА











Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.38
ББК 32.844.2
      Б43



Рецензенты:
генеральный директор ГО «НПЦ НАН Беларуси по материаловедению», член-корреспондент НАН Беларуси, доктор физико-математических наук Федосюк Валерий Михайлович;
генеральный директор ГНПО «Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника», академик НАН Беларуси, доктор физико-математических наук, заслуженный деятель науки Республики Беларусь
Казак Николай Станиславович;
заведующий кафедрой микро- и наноэлектроники, научный руководитель Центра наноэлектроники и новых материалов Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники, доктор физико-математических наук, профессор
Борисенко Виктор Евгеньевич




     Белоус, А. И.
Б43 Материалы и устройства наноэлектроники. Электроника после Мура / А. И. Белоус, В. А. Солодуха. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. -564 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1045-8

           Приведены теоретические основы наноэлектроники, магноники, спинтроники, стрейнтроники. Рассмотрены метаматериалы и области их применения, основные типы искусственных нейронных сетей, физические основы квантовых точек, спиновые эффекты, магнонные технологии для обработки радиочастотных сигналов.
           Для студентов, изучающих современную электронику. Может быть полезно преподавателям и специалистам в области наноэлектроники и информационных технологий.

                                                                        УДК 621.38
                                                                        ББК 32.844.2












ISBN 978-5-9729-1045-8

           © Белоус А. И., Солодуха В. А., 2022
           © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                                  © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ПРЕДИСЛОВИЕ


     Предлагаемая вниманию читателей книга ориентирована в первую очередь на студентов, магистрантов, преподавателей вузов и молодых ученых академических институтов, специализирующихся в тех областях современной электроники, которые относятся к направлению «больше Мура» (More Moore) и «больше чем Мур» (More than Moore). Конкретно - основным предметом исследований здесь является наноэлектроника - область науки и техники, занимающаяся созданием, исследованием и применением электронных приборов с нанометровыми размерами элементов, в основе функционирования которых лежат квантовые эффекты.
     Дело в том, что хотя действующий более 55 лет известный «закон Мура» (ежегодное удвоение числа транзисторов на кристалле) носил не физический, а статистический характер, сегодня он фактически перестал работать именно из-за причин фундаментального (физического) характера. А именно -когда размеры транзисторов, их элементов и расстояний между ними достигли 7—5 нм, начали действовать так называемые «размерные эффекты» — физические явления, нарушающие нормальное функционирование кремниевых полупроводниковых устройств, и разработчикам микросхем с проектными нормами «глубокого субмикрона» приходится прилагать неимоверные интеллектуальные усилия и применять инновационные дорогостоящие технологические решения для «демпфирования» этих эффектов.
     Практически в полном соответствии с этим законом экспоненциально росла и стоимость создания и эксплуатации полупроводниковых производств - за последние 30 лет только стоимость технологического оборудования для выпуска кремниевых микросхем возросла примерно в тысячу раз; в ряде случаев стоимость одной фабрики превышает размер национальных валютных запасов небольших государств.
     Поэтому в «гонке проектных норм» сегодня участвуют только несколько компаний - «полупроводниковых гигантов», которые можно перечислить на пальцах одной руки: IBM, Intel, Samsung, AMD, Gualcomm, а абсолютное большинство сошедших с дистанции в этой гонке компаний направили основные усилия своих опытных специалистов на совместные с учеными исследования и разработки альтернативных технологий и поиск технических решений создания элементной базы для вычислительных и телекоммуникационных технологий следующего поколения «за горизонтом Мура».
     В результате стремительного развития междисциплинарных исследований и конвергенции различных направлений современной науки, которая заключается в их объединении и взаимном проникновении, появились так называемые НБИК-технологии (нанобиоинформационные и когнитивные технологии).


3

     По оценке независимых зарубежных экспертов, сегодня в этом направлении работает уже столько же исследователей и инженеров, сколько занято в традиционной кремниевой полупроводниковой промышленности, и количество этих исследований в ближайшие 10 лет будет тоже расти по статистическому «закону Мура». Целью этих исследований являются как создание новых уникальных материалов, использование новых физических механизмов и явлений, так и разработка новых алгоритмов обработки и передачи информации.
     Речь ни в коем случае не идет о крахе той мощной отрасли, которая сегодня называется «полупроводниковой индустрией», ведь «закон Мура» — это уже пятый такой статистический закон в классической парадигме развития промышленной отрасли (реле, вакуумные приборы и др).
     Так появились такие направления, как спинтроника, магноника, кантовая микроэлектроника, стрейнтроника, устройства на квантовых точках, нейроморфные вычисления, нейронные устройства и системы, нульмерные, одномерные и двумерные наноразмерные материалы (0D, 1D, 2D) с совершенно новыми свойствами, и многое, многое другое.
     Например, как известно, практически все существующие в кремниевой электронике технические решения основаны на использовании процесса переноса заряда электрона (электрическом токе). Так вот, спинтроника основана на использовании второй фундаментальной характеристики того же электрона, а именно - спина, его собственного магнитного момента (поэтому в начале 2000 г. это направление обычно называли «магнитоэлектроника»), что открывает совершенно новые возможности создания элементной базы для нового поколения информационных и вычислительных технологий.
     Магноника относится к разделу квантовой электроники и считается сегодня одним из самостоятельных направлений развития спинтроники (спин-волновой электроники), использующим понятие «магнонов» — квазичастиц, соответствующих элементарному возбуждению в момент взаимодействия спинов.
     Устройства на квантовых точках — нанокристаллах неорганического полупроводникового материала используют носители заряда (электроны, или дырки), которые ограничены в пространстве по всем трем координатам, и при столь малых размерах в них проявляется дискретные (квантовые) свойства электронов, причем физические свойства этих нанокристаллов принципиально отличаются от свойств классических «больших» кристаллов. Поскольку при таких малых размерах свойства этих квантовых точек подобны свойствам единичного атома, иногда их так и называют - искусственные атомы.
     Нейроморфные вычисления являются наиболее ярким примером успехов междисциплинарных исследований и результатом конвергенции (взаимного проникновения) элементов и принципов биологии, физики, математики, информатики и электроники. Эти вычисления реализуются нейронными системами, физическая архитектура и технические решения которых основа

4

ны на принципах функционирования биологических систем, в том числе -человеческого мозга.
     В свою очередь это послужило мощным триггером как для развития таких научно-технических направлений, как нейроинформатика и вычислительная нейробиология, а также для создания соответствующей научноинженерной инфраструктуры для исследования и производства совершенно новых материалов - нейроморфных наноэлектронных материалов, новых алгоритмов обработки информации и совершенно новых вычислительных архитектур. Ключевым фактором прогресса в этих новых направлениях являются технологии изготовления таких материалов, как графен, двухмерные (2D) наноматериалы для вычислительных технологий нового поколения, нульмерные (0D), одномерные (1D) и двумерные (2D) нейроморфные наноматериалы, а также метаматериалы (композиты).
     По каждому из этих новых направлений развития за рубежом уже написаны более тысячи статей и опубликованы сотни хороших книг. Но как разобраться в этом информационном море молодым отечественным инженерам, студентам, аспирантам, выбирающим наиболее интересные и перспективные направления науки и техники для эффективного приложения своих интеллектуальных способностей, энергии и базовых теоретических знаний?
     Конечно, всегда под рукой есть Интернет, и при достаточном уровне знаний базового английского языка можно получить практически любую информацию по правильно сформулированному для поисковика запросу. Именно так на текущий момент и решается эта проблема. Однако наиболее близким к «идеальному» решению было бы использование одного информационного источника, где все эти новые направления были бы приведены в какую-то стройную систему и благодаря которому можно быстро понять как суть используемых новых физических явлений, механизмов, подходов, технологий, так и конкретное состояние каждого из этих направлений, имеющиеся недостатки, проблемы и перспективы их развития.
     Но чтобы создать подобное энциклопедическое произведение, его автору (авторам) необходимо, во-первых, иметь соответствующую мотивацию, а во-вторых - хорошо разбираться в достаточно сложных предметах исследований.
     Что касается авторской мотивации, то в данном случае всё просто - руководство холдинга «Интеграл» (г. Минск) уделяет приоритетное внимание вопросам подготовки высококвалифицированных кадров, поскольку действительно инновационный и перспективный рыночный продукт может создать только коллектив высококвалифицированных разработчиков, владеющих всем арсеналом современных знаний в области проектирования и высоких технологий.
     Подготовкой таких специалистов занимаются как профильные кафедры ведущих вузов России и Беларуси, так и многочисленные филиалы этих кафедр на предприятиях отечественной полупроводниковой промышленности,

5

преподаватели и студенты которых сегодня испытывают острый дефицит в отечественных методических, учебных и справочных пособиях по актуальным направлениям развития нано- и микроэлектроники и ее многочисленных приложений.
     В процессе сбора, обработки и системного анализа имеющейся многочисленной информации по предмету исследований авторами было принято решение о представлении итогового аналитического материала в форме «технической антологии».
     Если энциклопедия - это научное или научно-популярное справочное издание, содержащее наиболее существенную информацию по отдельным областям знаний и зачастую оформленное в виде нескольких томов, то антология - это обычно сборник литературных текстов сравнительно небольшого объема, созданных как одним, так и несколькими авторами и объединенных по тематическим признакам. В отличие от энциклопедий, при подготовке технических антологий авторы-составители могут вносить в текст включаемых работ только незначительные изменения (сокращения, редакционные правки, авторские комментарии).
     При таком методологическом подходе основная проблема авторов технической антологии заключается в том, чтобы из большого количества фундаментальных и обзорно-аналитических публикаций зарубежных и отечественных исследователей выбрать работы, наиболее полно описывающие как проблему, пути ее решения и достигнутые на текущий момент результаты, так и перспективы развития направления. Для этого по каждому из представленных в этой книге направлений (квантовые точки, спинтроника, стрейтро-ника, магноника, нейроморфные материалы и нейроморфные вычисления и др.), кроме рекомендаций, полученных авторами от авторитетных в соответствующих областях экспертов, отбирались работы с максимальным индексом цитирования.
     Поскольку абсолютное большинство отобранных для включения в состав этой книги работ были опубликованы за рубежом, авторы приносят извинения читателям за возможные неточности перевода - отдельные англоязычные термины и определения пока не имеют эквивалентного и однозначного определения в русскоязычном варианте.
     Для тех читателей, кто захочет более детально ознакомиться с терминологией, мы рекомендуем книгу V. E. Borisenko, S. Ossicini. What is What in the Nanoworld. Third, Revised and Enlarged Edition (Wiley-VCH, Weinheim, 2012), 601 p.


Благодарности

     Авторы выражают искреннюю благодарность академику НАН Беларуси, иностранному избранному академику РАН Лабунову В. А.; генеральному директору ОАО «НИИМЭ» академику РАН Красникову Г. Я., генеральному

6

директору ГНПО «Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника», академику НАН Беларуси Казаку Н. С.; генеральному директору ГО «НПЦ НАН Беларуси по материаловедению», д-ру техн. наук Федосюку В. М.; заведующему кафедрой микро- и наноэлектроники Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники, д-ру физ.-мат. наук профессору Борисенко В. Е. за полезные советы и критические замечания, которые в значительной степени способствовали формированию окончательного облика этой книги.
      Авторы также выражают благодарность Чикилеву В., Игнатович Л., Бирюковой М., Сизову Ю., Мазуриной Н., Куршацовой И., Ильенкову В. за помощь в переводе с английского языка большого количества информационных материалов; Антипенко О. - за качественное выполнение большого объема работ по техническому оформлению и подготовке рукописи к сдаче в издательство, Карташовой Е. - за огромную помощь в оформлении графических материалов рукописи.

Глава 1 ОСНОВНЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ ДЕЙСТВИЯ ЗАКОНА МУРА

1.1. Физические ограничения процесса масштабирования субмикронных микросхем

     На протяжении двух последних десятилетии число транзисторов на кристалле удваивалось каждый год (закон Мура). Этот закон действует и в настоящее время, хотя темп удвоения замедлился до полутора раз в год. Поскольку микроэлектроника является наиболее важной технологией в современную информационную эру, учеными всего мира [1, 2] много внимания было уделено пределам этого масштабирования, которые могут ограничиваться величиной удельной рассеиваемой мощности. Рассмотрим основные ограничения, которые налагаются на масштабированные приборы.
     Исследователи начали размышлять о физических пределах масштабирования микросхем еще в 1983 году [3]. Позже Nagata [4] рассмотрел основные физические ограничения в МОП-приборах и способы, которыми эти ограничения можно учесть при масштабировании геометрических размеров приборов. Hu [5] также рассматривает масштабирование МОП-приборов, но концентрируясь на факторах надежности. Meindl описал целую иерархию ограничений [6], которые должны определять возможность реализации кристаллов с миллиардами транзисторов. В работе [3] были впервые исследованы пути дальнейшего масштабирования МОП-приборов в субмикронной области в свете фундаментальных физических эффектов. При определении конструктивно-технологических ограничений конструкции субмикронных ИС важно учесть различные аспекты - от фундаментальных физических законов до практических соображений.
     В свою очередь в работе [5] впервые была определена иерархия подобных ограничении, которая имеет пять уровней: фундаментальные, материал, прибор, схема и системы. На каждом уровне в свою очередь имеются два типа ограничений: теоретические и практические. Надо отметить, что основные ограничения - фундаментальные - не зависят от типа приборов, вида материалов и конструктивно-схемотехнических решений, а вытекают из базовых законов термодинамики, квантовой механики и электромагнетизма. Предельно упрощая толкование этих ограничений, можно переформулировать основное ограничение из теории термодинамики следующим образом: необходимо иметь в любом узле микросхемы с эквивалентным резистором R, соединенным с шиной «земли», превышение мощности информационного сигнала Pₛ над эффективной мощностью помехи Pₐᵥₐᵢi. Это превышение должно подчиняться действию следующего выражения:


8

                        „             e ./ 1
                        Ps   YPaval   Y ~
4 R

4kTRB 1   JᵣD
= Y 4 R = YkTB,

(1.1)

где у > 1 - некоторый постоянный коэффициент;
    е„² - среднеквадратичное напряжение на эквивалентном резисторе на «разорванной» схеме;
    k - постоянная Больцмана;
    Т - абсолютная температура;
    В - полоса частот пропускания данного узла.
     Исследователями этой проблемы обычно рекомендуется у = 4. Тогда при Т = 300К значение энергии Pₛ должно быть больше, чем 0,104 эВ. На практике же мощность сигнала в настоящее время намного больше (с коэффициентом приблизительно 10⁷).
     Квантовый теоретический предел на нижнюю границу мощности проистекает из фундаментального принципа неопределенности Гейзенберга. Применительно к микроэлектронике его можно переформулировать следующим образом: для того, чтобы иметь возможность измерить энергию (мощность) переключения со временем продолжительностью At, величина энергии должна быть больше, чем соотношение h /At, а именно:

P >

h
(At)²,


(1.2)

где h - постоянная Планка.
      Фундаментальный предел на основе электромагнитной теории в нашем случае приводит к ограничению скорости распространения высокочастотного импульса по межсоединению до его величины, меньшей чем скорость света в свободном пространстве (с₀):
L < c0,                           (1.3)
                                 т

где L - длина критического межсоединения микросхем;
    т - время передачи сигнала по этому межсоединению.
     Если говорить о материалах и их предельных свойствах, то только основные свойства полупроводникового материала, которые определяют свойства созданного прибора, это: подвижность носителей (р), скорость насыщения носителей (oₛ), напряженность электрического поля самоионизации (Ес) и теплопроводность (К).
     Теоретические пределы свойств полупроводникового материала, которые не зависят от структуры и геометрии приборов, могут рассчитываться путем анализа свойств идеального куба нелегированного кремния с размером Ах, который встроен в трехмерную матрицу аналогичных кубов. При этом разность напряжения V₀ на паре противоположных граней каждого куба точно равна значению, необходимому для создания электрического поля, равно-

9

го напряженности электрического поля самоионизации ес, т. е. V₀/ Ax = Ec. Предельные значения, энергии переключения (Ptd) и времени переключения (td) можно рассчитывать как количество электростатической энергии, сохраненной в этом кубе за время прохождения носителя через куб, пользуясь выражениями [2]:

Pt

= E ^V--
    2 Ec

t > V
td >    „
     CT sEc

(1.4)

d

      Фундаментальное ограничение второго уровня для полупроводникового материала проистекает из соображений теплоотвода. Для вывода этого ограничения рассматривается изолированный полупроводниковый прибор, который находится на «идеальном» теплоотводе, который поддерживается при постоянной температуре Т₀. Прибор представляет собой полусферу с радиусом rₛ = oₛtd. Мощность или интенсивность переноса энергии от этого прибора к радиатору тогда может быть представлена в виде:
P = Q = - KAdT = - K д(ст ₛtd )² (-—) = дK ст ^ Л Ttd. (1.5)
td      dX              CT Std
      Здесь ряд исследователей [3, 5] использовали закон Фурье для теплопроводности, где К - теплопроводность полупроводникового материала, А -площадь поверхности, через которую протекает тепло, и dT / dx - градиент температуры.
      Конкретное практическое приложение вышеприведенного ограничения к микроэлектронным приборам состоит в сравнении применимости GaAs и Si для маломощных сфер применений. Используя известные константы, полученное значение P / td оказывается равным 0,21 нс/Вт для кремния и 0,69 нс/Вт — для GaAs. Это показывает, что в то время как GaAs имеет преимущества по быстродействию по сравнению с кремнием, он должен отводить в три раза больше тепла при том же времени переключения. Если мы теперь будем рассматривать структуру изолированного прибора (SOI) путем нагружения его в полусферическую «раковину» из SiO₂ радиуса rₜ, то теплопроводность структуры в целом характеризуется следующим образом [3]:

Г

eq

oXKSii

■ox

(1.6)

      Подставляя в это выражение эквивалентные замены: Kox~ 0,1 KSᵢ и г = 1,5rₛ, 2rₛ, 4rₛ, мы получаем KSᵢ ~ 0,029 KSᵢ, 0,02 KSᵢ, 0,013 KSᵢ, что показывает снижение на два порядка тепловой проводимости для кремния. И наконец, последнее упомянутое выше фундаментальное ограничение (по материалу межсоединений) проистекает из соображений конечной скорости света (с₀). Время распространения сигнала через межсоединение длиной L матери-

10