Ι - Εηζαγσγή ζηε Ναλνειεθηξνληθή. Μάζεκα: Ναλνειεθηξνληθή Τερλνινγία ΑΤΕΙ Πεηξαηά Τκήκα Μεραληθώλ Τ.Ε.

Transcript

1 Ι - Εηζαγσγή ζηε Ναλνειεθηξνληθή Μάζεκα: Ναλνειεθηξνληθή Τερλνινγία ΑΤΕΙ Πεηξαηά Τκήκα Μεραληθώλ Τ.Ε.

2 Πεξίιεςε Μαζήκαηνο 1 νο Φξόλνο Μαζήκαηνο 3 ώξεο ζεσξία + 2 εξγαζηήξην Θεωξεηηθό Μέξνο Μαζήκαηνο 1. Γξαπηέο εμεηάζεηο πάλσ ζηε δηδαθηέα ύιε ηνπ καζήκαηνο (60%) Εξγαζηεξηαθό Μέξνο Μαζήκαηνο Απόδνζε ζην εξγαζηήξην θαη αμηνιόγεζε εξγαζηεξηαθώλ αζθήζεσλ (40%) 2

3 Πεξίιεςε Μαζήκαηνο Week 1ε 2ε 3ε 4ε 5ε Αληηθείκελν Δηάιεμεο Εηζαγσγηθέο έλλνηεο θπζηθήο ζηεξεάο θαηάζηαζεο. Κξπζηαιιηθό πιέγκα. Αγσγηκόηεηα ζε κέηαιια θαη εκηαγσγνύο. Εμάξηεζε από ηε ζεξκνθξαζία θαη από ηηο δηαζηάζεηο. Επηδεξκηθό θαηλόκελν. Δηεξγαζίεο θαηαζθεπήο κηθξνειεθηξνληθώλ θαη λαλνειεθηξνληθώλ δηαηάμεσλ. Φσηνιηζνγξαθία θαη ιηζνγξαθία ειεθηξνληθήο δέζκεο, ελαπόζεζε ιεπηώλ πκελίσλ (κεηάιισλ θαη δηειεθηξηθώλ), ηερληθέο εγράξαμεο κε πιάζκα. Δηεξγαζίεο ραξαθηεξηζκνύ κηθξνειεθηξνληθώλ θαη λαλνειεθηξνληθώλ δηαηάμεσλ. Ηιεθηξηθέο κεηξήζεηο θαη Μηθξνζθνπία. Πεξηγξαθή θαη αλάιπζε MOSFET. Θεσξία ζκίθξπλζεο. Δηαηάμεηο FET πνιιαπιήο πύιεο (FinFET). High-k δηειεθηξηθά πύιεο, Τερλνινγία ππνζηξσκάησλ Si (SOI, HR-Si). Υπνζηξώκαηα πςειήο επθηλεζίαο θνξέσλ (ΙΙΙ-V, SiGe, γξαθέλην). Week Αληηθείκελν Δηάιεμεο 6ε Τερλνινγίεο κλήκεο. Πηεηηθέο θαη κε πηεηηθέο κλήκεο. Μλήκεο ηύπνπ Flash θαη ηύπνπ αληίζηαζεο. 7ε Τερληθέο θαη κεζνδνινγίεο ζρεδίαζεο θπθισκάησλ VLSI 8ε Τερλνινγίεο κλήκεο. Πηεηηθέο θαη κε πηεηηθέο κλήκεο. Μλήκεο ηύπνπ Flash θαη ηύπνπ αληίζηαζεο. 9ε Εθαξκνγέο ηεο λαλνηερλνινγίαο θαη ησλ λαλνειεθηξνληθώλ δηαηάμεσλ ζηνπο αηζζεηήξεο θαη ζηηο γεσξγηθέο εθαξκνγέο 10ε Εθαξκνγέο ηεο λαλνηερλνινγίαο θαη ησλ λαλνειεθηξνληθώλ δηαηάμεσλ ζηελ νπηνειεθηξνληθή 11ε Εθαξκνγέο ηεο λαλνηερλνινγίαο θαη ησλ λαλνειεθηξνληθώλ δηαηάμεσλ ζηε βηνηερλνινγία 12ε Εθαξκνγέο ηεο λαλνηερλνινγίαο θαη ησλ λαλνειεθηξνληθώλ δηαηάμεσλ ζηε κεηαηξνπή ελέξγεηαο. Φσηνβνιηατθά θαη Θεξκνειεθηξηθά ζπζηήκαηα.

4 Ηκεξνιόγην Μαζήκαηνο Γηα πιεξνθνξίεο ζα θνηηάηε ζηηο αλαθνηλώζεηο γηα όηη έρεη ηε ιέμε «Ναλνειεθηξνληθή» 4

5 Σύλνςε Δηάιεμεο Τη ζα πεη Νάλν? Πώο πξνέθπςε ε Ναλνειεθηξνληθή; Εηζαγσγή ζηε Ναλνειεθηξνληθή 5

6 Τη ζα πεη Νάλν? Statement of the problem

7 Τη ρσξάεη έλα λαλόκεηξν ; The prefix is derived from the Greek λᾶλνο (Latin nanus), meaning "dwarf", and was officially confirmed as standard in Καζεκεξηλά πξάγκαηα VS λαλόκεηξα Έλα cm ρσξάεη 10 εθαηνκκύξηα (10 7 ) nm Τν πάρνο ελόο ραξηηνύ είλαη nm Η αλζξώπηλε ηξίρα nm Τα λύρηα ζαο κεγαιώλνπλ 1 nm θάζε δεπηεξόιεπην When used as a prefix for something other than a unit of measure (as in "nanoscience"), nano refers to nanotechnology, or on a scale of nanometres. 7

8 Δηαζηάζεηο Φπζηθώλ θαη Αλζξώπηλσλ Πξαγκάησλ

9 Απαξρέο Ναλνεπηζηήκεο θαη Ναλνειεθηξνληθήο There's Plenty of Room at the Bottom Richard Feynman, Caltech on December 29, 1959 «Το έηος 2000, όηαμ θα θσμούμηαι εηούηη ηημ εποτή, θα αμαρφηιούμηαι γιαηί καμείς πριμ από ηο έηος 1960 δεμ άρτιζε μα κιμείηαι προς ασηή ηημ καηεύθσμζη. Γιαηί μα μημ μπορούμε μα καηαγράυοσμε ηο ζύμολο ηφμ 24 ηόμφμ ηης Encyclopedia Brittanica ζηημ κεθαλή μιας καρθίηζας;» 9

10 Nanotechnology Boom! Γξαθέλην (Graphene) Nobel 2010! Andre Geim Konstantin Novoselov 10

11 Ναλνεπηζηήκε Ναλνηερλνινγία Ναλνειεθηξνληθή Τξαλζίζηνξ κε κήθνο πύιεο 22 nm Ναλνεπηζηήκε > Η επηζηήκε πνπ κειεηάεη ηα ηδηαίηεξα θαηλόκελα ηεο λαλνθιίκαθαο (1-100 nm) Ναλνηερλνινγία > Η ηερλνινγία πνπ ζρεηίδεηαη κε ηελ θαηαζθεπή θαη ηε κέηξεζε λαλνκεηξηθώλ δνκώλ θαη δηαηάμεσλ (1-100 nm) Ναλνειεθηξνληθή > Φξήζε λαλνκεηξηθώλ δηαηάμεσλ ζηελ ειεθηξνληθή 11

12 Πώο πξνέθπςε ε Ναλνειεθηξνληθή; Τη ππήξρε πξηλ; Πώο δεκηνπξγήζεθε ε αλάγθε θαη ε ηδέα;

13 από ηε Μηθξνειεθηξνληθή; Τη ππήξρε πξηλ; Πώο δεκηνπξγήζεθε ε αλάγθε θαη ε ηδέα;

14 Μηθξνειεθηξνληθή ζην First IC, John Kilby, TI, 1958 Datapoint 2200,1971 Pentium P5,Intel, 1993 I7 2 nd gen, Intel, Transistor, Shokkley, Bardeen, Brattain, 1947 Intel 4004,1971 Motorolla DynaTAC,1984 MEMS commercialization, 1980s Lab-on-a-chip,

15 Μηθξνειεθηξνληθή Τερλνινγία Ηκηαγσγνύο Semiconductors (π αλάκεζα ζε αγσγνύο θαη κνλσηέο) Ππξίηην - Silicon Τν 99% ηωλ IC ρξεζηκνπνηεί Si Άιια πιηθά Germanium: Μεγαιύηεξε θηλεηηθόηεηα θνξέσλ Τα θπθιώκαηα κε Si-SiGe είλαη πην γξήγνξα από ηεο απιά Si (stress) Μηθξόηεξν ελεξγεηαθό δηάθελν Μεγαιύηεξε επίδξαζε από ηε ζεξκνθξαζία 15 Άθζνλν ζηε γε Εύθνιε θαηαζθεπή νμεηδίνπ SiO 2 Πνιύ αλεπηπγκέλε ηερλνινγία III-V Ηκηαγωγνί (GaAs, InP, GaN, InGaAs): Μεγαιύηεξε θηλεηηθόηεηα θνξέσλ Μηθξόηεξε δηαζεζηκόηεηα ζηε θύζε Δύζθνιε θαηαζθεπή νμεηδίνπ-κνλσηή

16 Καζαξόο Φώξνο Ο Καζαξόο Φώξνο (Clean Room) είλαη έλαο ρώξνο όπνπ ειέγρνληαη νη πεξηβαιινληηθέο ζπλζήθεο θαη ε παξνπζία ζθόλεο θαη κηθξνζσκαηηδίσλ. Η θαηεγνξηνπνίεζε γίλεηαη κε βάζε ηνλ αξηζκό ησλ ζσκαηηδίσλ αλά m 3 16

17 17

18 Νόκνο Moore «Νόκνο ηνπ Μνπξ»: Είλαη ε παξαηήξεζε πσο ν αξηζκόο ησλ ηξαλδίζηνξ ελόο ππθλνύ νινθιεξσκέλνπ θπθιώκαηνο δηπιαζηάδεηαη θάζε δύν ρξόληα. Η δηαηύπσζή ηνπ είρε ηεξάζηηα ζεκαζία γηα ηε βηνκεραλία εκηαγσγώλ γηαηί πεξηέγξαθε ην πιάλν ηεο ηερλνινγηθήο αλάπηπμεο θαη επέηξεςε ηνλ έγθαηξν εηαηξηθό ζρεδηαζκό Gordon Moore, 1929 Σςνιδπςηήρ Intel & Fairchild Semiconductors 18

19 Γεληθεπκέλνο Νόκνο Moore γηα Υπνινγηζκνύο Γελίθεπζε ηνπ Νόκνπ ηνπ Μνπξ»: Σηελ ηζηνξία ησλ ππνινγηζκώλ, ν αξηζκόο ησλ ππνινγηζκώλ / δεπηεξόιεπην / $1000 απμάλεη παξαβνιηθά κε ην ρξόλν ( t 2 ) 19

20 Κνξεζκόο ηνπ Νόκνπ ηνπ Moore Η θαζπζηέξεζε εμαηηίαο ησλ δηαζπλδέζεσλ (interconnections) γίλεηαη πην ζεκαληηθή από ηελ ηαρύηεηα ησλ ηξαλδίζηνξ Κνξεζκόο ηεο αύμεζεο ηεο απόδνζεο 1 επεμεξγαζηή, παξόιε ηελ αύμεζε ηεο ππθλόηεηαο ησλ ηξαλδίζηνξ. 20

21 Σκίθξπλζε Δηαζηάζεσλ (Scaling Down) Η βειηίσζε ηεο απόδνζεο θαη ηεο ηαρύηεηαο ησλ IC βαζίζηεθε ζηελ ζκίθξπλζε (ζπληειεζηήο 1/a) ησλ δηαζηάζεσλ ηνπ ηξαλδίζηνξ θαη θπξίσο ηνπ MOSFET θξαηώληαο ζηαζεξό ην πεδίν Ε κεηαμύ ηνπ Source θαη ηνπ Drain : Μείσζε ηνπ κήθνπο (L g ) πύιεο (1/a) Μείσζε ηνπ πιάηνπο (W) ησλ δηαζπλδέζεσλ (1/a) Λέπηπλζε ηνπ πάρνπο (t ox ) ηνπ νμεηδίνπ πύιεο (1/a) Σηόρνο: Αύμεζε αξηζκνύ ηξαλδίζηνξ ζηνλ ίδην ρώξν (a 2 ) Μείσζε ηνπ κήθνπο πύιεο γηα κεγαιύηεξε ηαρύηεηα (1/a) Αύμεζε ηεο ρσξεηηθόηεηαο ηεο πύιεο γηα κηθξόηεξε V th (1/a) Μείσζε ησλ απσιεηώλ ζεξκόηεηαο (1/a 2 ) 21

22 Όξηα ηεο Σκίθξπλζεο Όξηα ηεο κέγηζηεο ζκίθξπλζεο (22 nm 5 nm): Αφξθςθ τθσ πικανότθτασ εμφάνιςθσ φαινομζνων ςχετιηόμενων με υψθλά πεδία όπωσ τα φαινόμενα ςιραγγασ (tunnel) και διάςπαςθσ χιονοςτιβάδασ (λόγω μείωςθσ του πάχουσ των μονωτικϊν ςτρωμάτων). Διαςπορά τθσ οργανωμζνθσ δομισ ςτισ ιδιότθτεσ των υλικϊν. Προβλιματα ζκλυςθσ κερμότθτασ. Περιοριςμό ςτθν υπολογιςτικι ταχφτθτα. Νέεο δηαηάμεηο γηα More-Moore More than Moore 22 Ναλνειεθηξνληθή / Ναλνηερλνινγία

23 Σύγρξνλεο Τνπνινγίεο Transistor - I Νέεο Τνπνινγίεο Τξαλδίζηνξ Πεξηνξηζκόο ησλ Short- Channel Effects Μείσζε ηνπ ξεύκαηνο δηαξξνήο (leakage current) 23

24 Σύγρξνλεο Τνπνινγίεο Transistor II TriGate & FinFETs: Node 20 nm 7 nm Χπηζιμοποιούνηαι ζηοςρ επεξεπγαζηέρ ηιρ Intel (22 nm): Ivy Bridge, Haswell Gate All Around: Node 5 nm 3.5 nm Σε απηήλ ηελ ηερλνινγία ην Si βξίζθεηαη ζε ιεπηέο πηπρέο («Fins»). Η πύιε (Gate) βξίζθεηαη από ηηο 3 πιεπξέο ηνπ transistor. Απμάλεηαη ε ηαρύηεηα θαη κεηώλεηαη ε ελεξγεηαθή θαηαλάισζε. Σε απηήλ ηελ ηερλνινγία ε πύιε βξίζθεηαη από έλα λαλνλήκα Si. Σε εξεπλεηηθό επίπεδν. Πηζαλόλ InGaAs 24

25 More than Moore Τν ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) ζεσξείηε όηη έθιεηζε ην 2016 HIR (Heterogeneous Integration Roadmap) System-on-Chip (SoC) Ολοκλήπωζη διαθόπων λειηοςπγιών ζηην ίδια ψηθίδα (πάνω ζηο Si) System-in-Package (SiP) Ολοκλήπωζη διαθόπων λειηοςπγιών ζηην ίδια ζςζκεαζία (πολλά chip ενωμένα) 25

26 More than Moore Τν ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) ζεσξείηε όηη έθιεηζε ην 2016 HIR (Heterogeneous Integration Roadmap) System-on-Chip (SoC) Ολοκλήπωζη διαθόπων λειηοςπγιών ζηην ίδια ψηθίδα (πάνω ζηο Si) System-in-Package (SiP) Ολοκλήπωζη διαθόπων λειηοςπγιών ζηην ίδια ζςζκεαζία (πολλά chip ενωμένα) 26

27 Ναλνηερλνινγία + Ηιεθηξνληθή = Ναλνειεθηξνληθή Μειέηε ησλ θαηλνκέλσλ θαη λέα πιηθά γηα More-Moore ηερλνινγίεο Σκίθξπλζε ησλ δηαζηάζεσλ ησλ ηξαλδίζηνξ θαη ησλ ζηνηρείσλ κλήκεο Κπξίσο ρξεζηκνπνηείηαη ηερλνινγία Si, ε νπνία εκπινπηίδεηαη κε λέα πιηθά Νέα πιηθά θαη λέεο δπλαηόηεηεο γηα More-than-Moore ηερλνινγίεο Νέα πιηθά Νέεο Δπλαηόηεηεο Οινθιήξσζε δηαθνξεηηθώλ ιεηηνπξγηώλ ζηελ ίδηα ςεθίδα Τερλνινγία αηζζεηήξσλ Η ρξήζε λαλνειεθηξνληθώλ δηαηάμεσλ ππάξρεη ήδε θαη ζα δηαξθέζεη γηα πνιύ π.ρ. FinFETs 27

28 Ναλνειεθηξνληθή Τη ππήξρε πξηλ; Πώο δεκηνπξγήζεθε ε αλάγθε θαη ε ηδέα;

29 Φπζηθή ηεο Ναλνθιίκαθαο Ι Κλασικός κόςμοσ Ναλνηερλνινγία Κβαντικός κόςμοσ Σηε nm θιίκαθα, νη ηδηόηεηεο ησλ πιηθώλ είλαη δηαθνξεηηθέο εμαηηίαο ησλ θβαληηθώλ, θπξίσο, θαηλνκέλσλ. Σηα επίπεδα λαλνθιίκαθαο παξνπζηάδνληαη ηδηόηεηεο πνπ ζπρλά αληηβαίλνπλ ζηελ θνηλή καο αίζζεζε. 29

30 Φπζηθή ηεο Ναλνθιίκαθαο ΙΙ 1. Τα άηνκα θαη ηα κόξηα είλαη < 1 nm θαη ηα εμεηάδνπκε ζηε ρεκεία. Η θπζηθή ηεο ζπκππθλσκέλεο ύιεο αζρνιείηαη κε ζηεξεά πνπ πεξηέρνπλ άπεηξα ηέηνηα κόξηα Η Ναλνεπηζηήκε αζρνιείηαη κε ηνλ ελδηάκεζν θόζκν! 2. Η θβαληηθή ρεκεία δελ εθαξκόδεηαη ζε λαλνζπζηήκαηα γηαηί είλαη αξθεηά κεγάια αιιά θαη πνιύ κηθξά γηα λα εθαξκνζηνύλ νη θιαζηθέο ζεσξίεο 3. Ιδηόηεηεο πνπ επεξεάδνληαη από ηηο δηαζηάζεηο 4. Μεγάινο ιόγνο επηθάλεηαο πξνο όγθν 1 ζσκαηίδην 3nm Fe έρεη 50% άηνκα εθηεζεηκέλα ζηελ επηθάλεηα 1 ζσκαηίδην 10nm Fe έρεη 20% άηνκα εθηεζεηκέλα ζηελ επηθάλεηα 1 ζσκαηίδην 30nm Fe έρεη 50% άηνκα εθηεζεηκέλα ζηελ επηθάλεηα 30

31 Ναλνειεθηξνληθή θαη Νέα Υιηθά Γξαθέλην: έλα αηνκηθό layer δνκηθά ζηαζεξό θαιόο ειεθηξηθόο αγσγόο πςειή θηλεηηθόηεηα θνξέσλ Ναλνζωιήλεο άλζξαθα: κόλν- ή πνιύ-ηνηρσκαηηθνί αηνκηθό layer δνκηθά ζηαζεξό θαιόο ειεθηξηθόο αγσγόο πςειή θηλεηηθόηεηα θνξέσλ Πνξώδε θαη Σύλζεηα Υιηθά: κεγάινο ιόγνο επηθάλεηαο πξνο όγθν δηαθνξεηηθέο ηδηόηεηεο από ην αξρηθό πιηθό αιιειεπίδξαζε κε ην θσο 31

32 E-beam lithography tool by Vistec INN, NCSR Demokritos Ναλνειεθηξνληθή θαη Νέεο Μέζνδνη Καηαζθεπήο Ληζνγξαθία Ηιεθηξνληθήο Δέζκεο Ελαπόζεζε Αηνκηθνύ Σηξώκαηνο Επηηαμία Μνξηαθήο Δέζκεο Εζηηαζκέλε Ινληηθή Αθηίλα Ληζνγξαθία UV Molecular Beam Epitaxy Electron beam lithography Atomic Layer Deposition UV Lithography Focused Ion Beam Η ιίζηα θαηαζθεπαζηηθώλ κεζόδσλ είλαη ελδεηθηηθή. Έρεη πνιιέο αθόκε πνπ ζα δνύκε ζηε ζπλέρεηα ηνπ καζήκαηνο. Τo be continued Τηο παξαπάλσ κεζόδνπο θαηαζθεπήο αιιά θαη άιιεο ζα ηηο αλαιύζνπκε ζηε ζπλέρεηα ηνπ καζήκαηνο 32

33 Ναλνειεθηξνληθή θαη Μέζνδνη Φαξαθηεξηζκνύ SEM Ellipsometry Spectroscopy AFM STM 33 ThetaMetrisis S.A. Athens, Greece

34 Εηζαγσγή ζηε Ναλνειεθηξνληθή Τέινο γηα ζήκεξα Ναλνειεθηξνληθή Τερλνινγία Θεωξία: Δεπηέξα, 09:00 12:00 Εξγαζηήξην: Τξίηε, 09:00 11:00 34