ΑΠΟ ΤΗΝ ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΟΜΗ ΤΗΣ ΥΛΗΣ ΣΤΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ

ΑΠΟ ΤΗΝ ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΟΜΗ ΤΗΣ ΥΛΗΣ ΣΤΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Α. ηµουλάς Εργαστήριο ΜΒΕ Ινστιτούτο Επιστήµης Υλικών ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ

Συµβολή των ηλεκτρονικών υλικών στην ανάπτυξη των συστηµάτων πληροφορικής Τρανσίστορ : Η «καρδιά» του Ολοκληρωµένου κυκλώµατος Ολοκληρωµένο κύκλωµα Περιέχει περίπου 1 δισεκατοµύριο τρανσίστορ

Σύντοµηεπισκόπηση Πως οι ιδιότητες σε µικροσκοπικό (ατοµικό) επίπεδο καθορίζουν τις µακροσκοπικές ιδιότηες (π.χ. αγωγιµότητα) Ποιά είναι τα κοινά σηµεία των διαφόρων κατηγοριων υλικών και ποιές οι διαφορές τους Για πιο λόγο οι ηµιαγωγοί έχουν ενα ξεχωριστό ρόλο Ποια είναι η συνέργεια των υλικών για τη λειτουργία του τρανσίστορ Οι τάσεις της τεχνολογίας και τα κύρια µεσοπρόθεσµα και µακροπρόθεσµαπροβλήµατα Οι κυριότερες προκλήσεις για το µέλλον.

Ηλεκτρονικά υλικά- Γενικά Ορισµός Λειτουργικά υλικά που συντελούν στη «διαχείρηση» ηλεκτρικού φορτίου (παραγωγή, αποθήκευση, µεταφορά) µε σκοπότην Αποθήκευση πληροφορίας Επεξεργασία Μετάδοση Κατηγορίες ηλεκτρονικών υλικών Αγωγοί Μονωτές Ηµιαγωγοί

Ελεύθερα φορτία Γιατί έχοµεελεύθερα-ευκίνητα ηλεκτρόνια στα υλικά? e- e-

Ηλεκτρόνια σε περιοδικό δυναµικό 2 2 i = ψ ψ ( ) θ ψ ( ), ψ( x R) ( x), R x R = e x R R=na a n L=Na N iθ ψ ( x a) = e ψ ( x) iθ i2θ ( x 2 a) = e ( x a) = e ( x) ψ ψ ψ... inθ ψ ( x na) =... = e ψ ( x)... inθ ψ ( x Na) =... = e ψ ( x) Οριακές συνθήκες ψ ( x Na) = ψ ( x) 2π m θ =, m = 0, ± 1, ± 2... N in e θ = 1

Ηλεκτρόνια σε περιοδικό δυναµικό Θεώρηµα Bloch-Floquet ikr ψ ( x R) = e ψ ( x) k 2π m k =, m= 0, ± 1, ± 2... a N R = na k ikx Θεώρηµα Bloch ψ k( x) = e uk( x), u ( x R) = u ( x) k k k 0 k k π = a π = a ψ ( x a) = ψ ( x) π / a π / a λ = 2a Στάσιµοκύµα

Ενεργειακό χάσµα i( / a) x i( / a) x ψ ( x)~ e e ~sin x a 2 2 π ψ ( x) ~sin x a π π π E ( ψ ( x), V( x) ψ ( x)) ψ ( x) V( x) dx = = 2 E ψ x e e x a 2 2 π ψ ( x) ~cos x a i( π / a) x i( π / a) x π ( )~ ~cos χ=0 E ( ψ ( x), V( x) ψ ( x)) ψ ( x) V( x) dx = = 2 Ενεργειακό χάσµαε g E λ = 2α Ανάκλαση κατά Bragg σε µια διάσταση nλ =2asinθ n =1 θ=π/2 -π/α 2π/α = άνυσµα αντίστροφου πλέγµατος π/α

Ηλεκτρονική δοµή -Ενεργειακό χάσµα Πρώτη ζώνη Brillouin E Αγωγοί-µέταλλα µερικώς συµπληρωνένη ζώνη Ελεύθερα ηλεκτρόνια Οπές - Ενεργειακό χάσµαε g υ g E k ~0 Μονωτές- ιηλεκτρικά πλήρως συµπληρωµένη ζώνη- -µεγάλο Ε g Ηµιαγωγοί πλήρως συµπληρωµένη ζώνη- -µικρό Ε g π α 0 π α k SiO 2 : E g ~ 9.2 ev Al 2 O 3 : ~ 8.8 ev ZrO 2 : ~ 5.5 ev Μονωτές k E = h m 2 2 2 eff Ευκινησία µ ~ 1/m eff ZnO : ~3.0 ev GaAs ~1.4 ev Si ~1.1 ev Ge ~0.66 ev Ηµιαγωγοί

Ηµιαγωγοί Ηµιαγωγοί:«Εύπλαστα» υλικά ως προς τις ηλεκτρονικές τους ιδιότητες Ηλεκτρονική πυκνότητα και αγωγιµότητα µεταβάλλεται µε εξωτερική επίδραση Θερµοκρασία Φως Προσµίξεις Ηλεκτρικό Πεδίο Ενδογενής Τύπου-n Τύπου -p Ζώνη αγωγιµότητας δότες (P) ~ 10 mev Χηµικό δυναµικό αποδέκτες (B) Ζώνη σθένους

Μή οµογενείς ηµιαγωγοί-επαφές τύπου p-n n Μή- ισορροπία p n Ισορροπία - V c p υναµικό επαφής d c Περιοχή απογύµνωσης V c (~ E g ) 0.5-0.8 ev Si 0.2-0.4 ev Ge d c 1.3-0.1µm Si 0.8-0.1µm Ge E c ~ 10 kv/cm

Λειτουργία επαφών τύπου p-n V Ορθή πόλωση V - J n - p J Ανάστροφη Ορθή Ενίσχυση V V Ανάστροφη πόλωση -V n - J p

Επαφές Μετάλλου/Μονωτή/Ηµιαγωγού Επίδραση Πεδίου 100 80 60 40 20 0 1 MHz 20 Hz Μέταλλο (poly-si) Μονωτής (SiO2 ) Ηµιαγωγός (Si) Capacitance (pf) Συσσώρευση Απογύµνωση Αναστροφή p -2-1 0 1 2 Applied Gate Bias (V) Συσσώρευση Απογύµνωση Αναστροφή - - - - - p p n p

Τρανσίστορ σηµειακής επαφής Το πρώτο «πρωτόγονο» τρανσίστορ, 1948 Εκποµπός Συλλέκτης - Φύλλο χρυσού I e δi e Πλαστικό p n-ge I c δi c V B Germanium Nobel prize 1956 : Awarded jointly, one third each, to: WILLIAM SHOCKLEY, JOHN BARDEEN and WALTER HOUSER BRATTAIN for their researches on semiconductors and their discovery of the transistor effect.

Tρανσίστορ επίδρασης πεδίου (FET) Τεχνολογία CMOS OFF ON 1 0 V g n-mosfet p-mosfet V s =0 G V d V s =0 G αγωγός αγωγός S µονωτής D µονωτής Field S D n I n oxide p p d L N-well p-τύπου επιταξιακό στρώµα ηµιαγωγού (Si) V d p υπόστρωµα ηµιαγωγού (Si) Ρεύµαοδήγησης W Id = Cinvm( Vg - VT) 2L 2 Χρόνος απόκρισης t µ 1 I d

Σηµερινά τρανσίστορ MOSFET Αγωγός Poly-Si Μονωτής SiΟ 2 G Ηµιαγωγός Strained Si S D

Κύρια προβλήµατα στη σµίκρυνση Μεσοπρόθεσµα : 5-10 χρόνια Χρειάζονται νέα υλικά σε όλα τα µέρη του τρανσίστορ Στην πύλη για την αποφυγή διαρροών και τη µείωση της καταναλισκόµενης ισχύος -Νέα µονωτικά υλικά (HfO 2 ) -Νέα υλικά στο µεταλλικό ηλεκτρόδιο ( TaN, TiN, Silicides) Στο ενεργό κανάλι Ηµιαγωγοί υψηλής ευκινησίας φορέων για την αύξηση της ταχύτητας και της επίδοσης σε υψηλές συχνότητες -Γερµάνιο -ΙΙΙ-V σύνθετοι ηµιαγωγοί (GaAs) Μακροπρόθεσµα : 10-15 χρόνια Χρειάζονται νέα υπολογιστικά στοιχεία-νανοδιατάξεις Για την αντιµετώπιση της µεγάλης κατανάλωσης ισχύος κατά την επεξεργασία της πληροφορίας

Νέα διηλεκτρικά υλικά στην πύλη Πρόβληµα Υψηλό ρεύµα διαρροής λόγω κβαντικού φαινοµένου σήραγγος Λύση Αντικατάσταση SiΟ 2 µευλικά µε υψηλήδιηλεκτρική σταθερά κ ( high-κ ) κ SiO 2 2 C = = = d d EOT SiO 2 κ high k high k κ SiO Υποψήφιο υλικό :HfO 2 (κ~15-20) Χρειαζόµαστε : κ~30

Συνεισφορά του ΕΚΕΦΕ /ΙΕΥ TaN G TiN Spacer La 2 Hf 2 O 7 high-κ S Si 4 nm LaHfOx / PVD TaN / 100nm TiN D TiSi 2 Συνεργασία ΙΕΥ/ΕΚΕΦΕ ΙΒΜ ΙΜEC Philips 100 nm MOSFETs σε πιλοτική γραµµή παραγωγής

Ηµιαγωγοί υψηλής ευκινησίας φορέων Για ορισµένες εφαρµογές σε υψηλές συχνότητες ηµιαγωγοί ηψηλής ευκινησίας φορέων µπορούν να αντικαταστήσουν το Πυρίτιο Γερµάνιο Ευκινησία ηλεκτρονίων και οπών 3 φορές µεγαλύτερη από το Πυρίτιο GaAs Ευκινησία ηλεκτρονίων 8 φορές µεγαλύτερη από το Πυρίτιο Αναµένεται Αύξηση ρεύµατος οδήγησης Ελάττωση χρόνου απόκρισης W Id = Cinvm( Vg - VT) 2L 2 t µ 1 I d

Συνεισφορά του ΕΚΕΦΕ /ΙΕΥ Τρανσίστορ MOSFET σε Γερµάνιο GeON TaN 45-50 Å HfO 2 Bulk Ge (001) Hole Mobility (cm 2 /Vs) 140 120 100 80 60 40 20 Ge HfO 2 PMOS Si HfO 2 PMOS Si Universal 2X Συνεργασία IEY/ΕΚΕΦΕ Intel 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Vertical Effective Field (MV/cm) MIT I s (A/µm) 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 P-FET L = 10 µm V t ~ 0.28 V EOT ~ 1nm 1.0 0.5 SS ~ 160 mv 0.0-0.5 V gs (V) V ds = -50 mv V ds = -1.5 V -1.0-1.5 I s (µa/µm) 30 25 20 15 10 5 0 0.5 P-FET SS ~ 160 mv/dec. L = 10 µm EOT ~ 1 nm 0.0-0.5-1.0 V d (V) -1.5 V g = -1.5 V -1.2 V -0.9 V -0.6 V -0.3 V 0 V -2.0-2.5

Προοπτικές- «οδικός χάρτης» 90 nm node 2003 L g = 50 nm production 65 nm node 2005 L g = 30 nm prototype 45 nm node 2007 L g = 20 nm prototype 32 nm node 2009 L g = 15 nm prototype Νέα ηλεκτρονικά υλικά αναµένεται να εισάγονται καθώς προχωρούµε προς το τέλος του «οδικού χάρτη» 22 nm node 2011 L g = 10 nm prototype 2013 Si nanowires?? 2015 C-nanotubes?? Molecular devices?

Πέρα από τα όρια του «οδικού χάρτη» «συµβατικά» S «µοριακά» Gate Channel D <10 nm Η πιθανότητα αυθόρµητης αλλαγής κατάστασης Eb kt P classic = e - Η ανάγκη για διακριτότητα καταστάσεων επιβάλλει P classic 1 2 E ³ E ³ ktln 2 = E bit b SNL State 0 State 1 E b a Γενικά ισχύει ότι για µη αντιστρεπτές διαδικασίες ( irreversible computing ) ηελάχιστηενέργεια για επεξεργασία ενός bit πληροφορίας είναι E SNL = ktln2 Shannon-von Neumann-Landauer

Φθάνοντας στα κατώτατα όρια της νανοκλίµακας... Ελάχιστη διάσταση υπολογιστικού στοιχείου x min» h Dp = h = 2mESNL 1.5nm Μέγιστη πυκνότητα υπολογιστικών στοιχείων n 1 στοιχεια» = 4.7 10 13 max 2-2 xmin cm Ελάχιστος χρόνος απόκρισης t min» h E = h D E = NSL 0.04p sec Η συνολική καταναλισκόµενη ισχύς για την επεξεργασία της πληροφορίας στο chip n E MW 3.7 cm max bit P= = nmax fmaxebit» 2 tmin Ισχύς νήµατος λάµπας φωτισµού ~ 100 W/cm 2 Ισχύς στην επιφάνεια του ήλιου ~ 6 kw/cm 2 Τεράστια ισχύς Απαγωγή θερµότητας είναι δυνατή µέχρι ~ 800 W/cm 2

Η µεγάληπρόκλησητουµέλλοντος Να ξεπεράσοµε το ενεργειακό κόστος για την επεξεργασία της πληροφορίας στις νανοδιαστάσεις (<10 nm) Χρειάζεται να επινοήσοµε νέες διατάξεις που θα στηρίζονται σε διαφορετική αρχή λειτουργίας που δεν θα βασίζονται στη µεταφορά φορτίου για την επεξεργασία της πληροφορίας. Χρήση του spin για τη δηµιουργία των διάκριτων καταστάσεων State 0 State 1 Eb Κβαντικοί υπολογιστές ( qubit ) Υπολογιστική µε αντιστρεπτές διαδικασίες ( reversible computing )