直接寫生產 1D 晶體管和非 CMOS 邏輯門: Nanoelectronics 的刺激能成熟

由 Somenath 羅伊博士

Somenath 羅伊博士,研究生物工藝學科學家、學院和納米技術 (IBN),新加坡
對應的作者: sroy@ibn.a-star.edu.sg

晶體管,宣佈在電子的一個新的時代的發明,是實際上所有集成電路 (集成電路) 和微處理器關鍵部件。 瓦爾特 H. Brattain、美國物理學家和諾貝爾獲獎者,在 1947年發明在鍺大塊經過許多階段在其結構、範圍和性能的演變的點聯絡晶體管。 在哥頓 E. 穆爾的法律之後,一支晶體管的範圍在集成電路的在十年期間是收縮的顯著和最終減少了到一個猶豫 32 nm 節點,例如,在 Intel 的 6 個核心 i7-980x 處理器1

要應付對更小的持續增長的需求,更加巧妙和更加快速的小配件,芯片市場竭力稱他們下來進一步。 實際上, Intel 和 Nvidia 在以後五年之內預測一種 11 nm 加工技術的誕生2。 但是 downscaling 的互補金屬氧化物半導體 (CMOS)多久將繼續是能承受的? 什麼是前面主要絆腳石?

CMOS 比例縮放挑戰

製造複雜不形成唯一的挑戰稱。 當下一代浸沒石版印刷的配置與雙仿造的,極其紫外 (EUV)石版印刷的或其他創新技術可能很可能做這個工作時,其他關鍵對價需要解決。

最重大的比例縮放限額預計被靜態功率耗散引入與多種損失結構相關。 當設備維數收縮,數量挖洞承運人通過門裝绝緣體工和機體對流失連接點保持平衡是主要的; 使電路不運行。 這時,常規 CMOS 技術可能擊中牆壁,強制芯片市場尋找替代材料和雜種技術平臺。

替代平臺,新穎的製造方法

在 nanomaterials 研究的最近預付款推進類似的 1D 材料的開發例如碳 nanotubes 和半導體的 nanowires (或 nanorods) 開發新穎的設備結構3,4。 由於數量遷移現象,基於 nanomaterial 的設備陳列令人驚奇屬性,一些為硅是史無前例的5-7。 然而,缺乏控制集合,製造複雜和低處理量形成不變挑戰從一個唯一設備的推進一條功能電路。 我們的在生物工藝學和納米技術 (IBN) 學院的研究目的將解決這些重要挑戰之一,即製造處理量,在常規技術嚴重地減弱例如電子射線 (e 射線) 石版印刷。8

刺激由這個情況一個集中的雙重射線 (電子束和離子束) 系統可能在原處存款金屬和裝绝緣體工,不用對所有前索引的需要或抵抗仿造9,我們測試分離生產的可行性,以及集成與更高的處理量 (圖 1) 的設備要素。 雖然晶體管和其他環道元的製造使用雙重射線系統仍然是一個連續進程,抵抗自由,直接寫技術充分地減少處理步驟的數量,反過來造成這個處理產量。

圖 1。 雙重射線 (電子和離子束) 系統的一個藝術性的表示參與 nanoscale 電子線路直接文字。 這個抵抗自由的技術使處理步驟減到最小的數量與在 e 射線石版印刷方面介入的那比較。

直接寫生產各自的場效應晶體管

使用一個新穎的方法,我們順利地展示了抵抗自由的生產取盡模式 (D 模式) 和改進模式 (E 模式) 在單一水晶 (FETs) ZnO nanowires 的場效應晶體管10。 D 模式或 『通常在』 FETs 為低價,前管理者應用是非常合適的,是寬容高壓下落和功率耗散在電源和輸出管理者階段之間。 另一方面, E 模式或 『』 FETs 通常提供低斷路狀態的損失當前的好處,是現代無線電設備的至高無上的意義。

在相同的 ZnO nanowires 和 E 模式 FETs 製造的格式 D 模式在圖 2. 概要地說明。 對每 nanowire 的來源 (S) 和流失 (d) 電阻的聯絡由集中的離子射線存款 (FIB) Pt 主街上 (色的灰色聯繫),并且被連接了到 micropatterned 澳大利亞電極和粘結墊。 对 D 模式 FET,柵電極 (G) 在包括的這個中心小謊存款 Pt 和與 nanowire 通道查出由一塊绝緣層 (色的淺蘭)。 通道的部分取盡在平衡 (零的偏心) 情況下被觀察了。 逐漸負門偏心的應用,溝道電流減少了和終於停止了在門電壓在 -3.4 V 附近, D 模式 FET 的閾值電壓。

在 ZnO nanowires 的圖 2. 被製造的示意圖耗盡模和改進模式 FETs

然而,一旦 E 模式晶體管柵電極由白金 (在概要的褐色組成了),在 ZnO nanowire 直接地存款由集中的電子射線 (FEB)并且形成肖特基裝門的 MESFET。 耗盡層近似值預計應該由使肖特基接觸到通道的一個 Ù 型周圍的頂部門充分地耗盡與直徑的一 nanowire 80-90 毫微米。 實際上,損失當前 ~10A-13 被評定了在零的門偏心。 從傳送特性请彎曲,閾值電壓,跨電導 (g) 的值m,并且開-關比例被計算是 1.1 V, 55 nS 和 > 106,分別。

往綜合化的步驟

在分析在分離,但是相同的 ZnO nanowires 的各自的 E- 和 D 模式晶體管以後,我們做出了嘗試集成 FETs 的二種類型在一唯一 nanowire 的派生邏輯變換器 (圖 3) 的功能。 一臺基本邏輯變換器包括一個有效的切換設備或者 『驅動器』,在串聯與 『負荷』設備。 因為一個驅動器作為使用 D 模式驅動器將要求一個另外的級別搬移者做兼容,輸入和輸出電壓電平的邏輯門 E 模式晶體管更喜歡為使用。 相反地,因為取盡負荷變換器陳列 (i) 鋒利的電壓傳送特性轉移和更好的噪聲容限, (ii) 唯一 (VTC)供電和 (iii) 更小的整體格式區, D 模式晶體管更喜歡作為負荷。

圖 3 概要地表示取盡負荷變換器的電路。 对 +5 个 V 電源電壓,從 『邏輯 1' 的轉移到 『邏輯 0' 狀態在 2.1 V. 前後發生。 變換器的電壓收益增加了與大小 VDD 并且到達了值為大約 29 為 VDD = 10.0 V,而到處信號電平的噪聲容限是 2.52 V 和 1.46 V,分別。

在一唯一 nanowire 的圖 3. 被製造的簡圖 DCFL 變換器。 使用集中的離子束 (灰色) 或電子束 (褐色),鉑電極 『直接地被寫了』。 Microfabricated 澳大利亞聯絡線索和粘結墊為連接設備使用了與這個宏觀世界。 在其中一個的藍色層 Pt 柵電極下指示在原處存款氧化硅層。

總而言之, IBN 的單步的製造技術消除納諾縮放比例設備製造的費時和勞動強度石版印刷進程,并且提高製造準確性和產量。 高水平精確度和處理量,直接書寫技術可能提供未來派 nanoelectronic 電路迅速原型的一個強大的方法。


參考

1. Intel® Core™ i7-980X 處理器極其編輯: http://ark.intel.com/Product.aspx?id=47932
2. http://www.eetimes.com/electronics-news/4087879/SPIE-Intel-to-extend-immersion-to-11-nm; http://www.eetimes.com/electronics-news/4084065/Nvidia-chief-scientist-to-EDA-Give-us-power-tools
3. S.J. Tans, A.R.M. Verschueren 和 C. Dekker 「在唯一碳的室溫晶體管 Nanotubes 基礎上」,本質, 393 (1998) 49
4. Z. Zhong、 D. Wang, Y. Cui, M.W. Bockrath 和 C.M. Lieber, 「Nanowire 標誌橫線列陣作為集成 Nanosystems 的地址譯碼器」,科學, 302 (2003) 1377 (2003)
5. A. Javey、 Q. Wang, A. Ural, Y. 李和 H. 戴。 「碳 Nanotube 多級補充邏輯和環形振盪器的晶體管列陣」,納諾信函, 2 (2002) 929
6. D. 金、 J. 黃, H. 申英澈, S. 羅伊和 W. 崔, 「遷移現象和傳導結構在 Y- 和克服的連接點的單一被圍住的碳 Nanotubes (SWNT)」,納諾 Lett。, 6 (2006) 2821
7. Y. Cui, C.M. Lieber, 「使用硅 Nanowire 構件被裝配的功能 Nanoscale 電子設備」,科學, 291 (2001) 851
8. Z. 陳, J. Appenzeller, Y。 - M。林、 J. Sippel-Oakley, A.G. Rinzler, J. Tang, S.J. Wind, P.M. Solomon 和 P. Avouris,科學, 311 (2006) 1735
9. I. Utke、 P. Hoffmann, J. Melngailis, 「氣體協助解決的集中的電子束和離子束處理和製造」, J. Vac. Sci。 Technol。 B, 26 (2008) 1197
10. S. 羅伊和 Z. 高, 「在唯一 Nanowire 直接寫 Nanoscale 數字式邏輯元件的製造」,納米技術, 21 (2010) 245306

版權 AZoNano.com, Somenath 羅伊 (生物工藝學和納米技術 (IBN)) 學院博士

Date Added: Sep 19, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 03:58

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