Трехмерные транзисторы

Один из аспектов повышения процессов обработки информации - получение конструкции трехмерного транзистора.

Рассматриваются вопросы одного из наиболее прогрессивных направлений высоких технологий - наноэлектроники - получение конструкции трехмерных транзисторов, позволяющих создать и использовать компоненты вычислительных устройств, значительно превосходящих по быстродействию и объемам памяти аналогичные устройства схемотехнической микроэлектроники.

Анализ научно-технических задач позволяет сделать вывод, что ускорение процессов обработки информации связано с применением методов организации параллельных процессов на макро - и микроуровнях вычислений, включая используемые критерии оптимальности; методов и алгоритмов синтеза параллельного объектного кода по критерию минимального времени выполнения при наименьшем количестве регистров, использованию алгоритмов организации параллельных вычислений в однопроцессорных и многопроцессорных вычислительных системах, а также увеличением быстродействия процессоров.

Перед разработчиками новых технологий встает задача все большего увеличения частоты ядра процессора. Как известно, уменьшение технологического процесса и роста числа транзисторов на одной подложке не может обеспечить бесконечного увеличения частоты ядра по известным причинам.

Уменьшение размера транзистора, и соответственно, увеличение числа транзисторов в ядре процессора приводит к росту потребляемой мощности и выбросу тепловой энергии. С этой проблемой связано увеличение напряжения питания на процессорном блоке с +5в до +12в, что в свою очередь привело к достаточному снижению токов и как результат снижению потребляемой мощности на процессоре. Но в целом не решило проблему дальнейшего наращивания частоты процессора.

Бесконечное уменьшение размера p-n перехода транзистора приводит к появлению токов утечки. Все дело в том, что при уменьшении толщины слоя диэлектрика начинают возникать эффекты туннелирования зарядов через слой диэлектрика.

Паразитный заряд «командует» процессами на подложке, что приводит к нежелательным явлениям - переключение транзистора срабатывает медленнее. Транзистор становится более инертным.

Давайте вспомним принцип действия плоского полевого транзистора с управляющим p-n переходом. Сток и исток размещают на подложке кремния. В «выключенном» состоянии ток между истоком и стоком не течет из-за высокого сопротивления между ними. Чтобы ток протекал - используется затвор. Затвор отделяется от подложки слоем диэлектрика. При «включении» подаче управляемого напряжения на затвор, основные носители заряда перемещаются вглубь кремниевой подложки. Теперь та область, которая обеднена основными носителями, втягивает носители заряда стока и истока. В дальнейшем - между истоком и стоком образуется канал, насыщенный основными носителями заряда. Если теперь между истоком и стоком приложить напряжение, то по каналу пойдет ток. Это означает, что транзистор «открыт». Если удалить напряжение на затворе - канал разрушается, и ток не проходит, то есть транзистор «заперт» [1].

Проблема, как уже отмечалось, связана с возникновением тока утечки между истоком и стоком.

Заряд, накапливаемый n-канальным транзистором в то время, когда он «открыт» (то есть когда на затвор подается положительный потенциал), не может «рассосаться» мгновенно после того, как транзистор запирается. В результате возникает ток утечки, ограничивающий скорость переключения транзистора, поэтому емкость транзистора желательно сделать как можно меньше.

Поэтому найдено решение этой проблемы - получена новая конструкция трехмерного транзистора с тройным затвором. Эта конструкция обеспечивает меньшее потребление энергии по сравнению с плоскими транзисторами. Структура тройного затвора необходима для дальнейшего развития архитектуры терагерцевого транзистора. Это трехмерная структура, похожая на приподнятую горизонтальную плоскость с вертикальными стенками.

Наш транзистор с тройным затвором внешне напоминает картонную «упаковку для яиц» - решетку с ячейками - такой неожиданный образ для сделанного открытия нашел Роберт Чау, сотрудник Intel и директор лаборатории по исследованию транзисторов.

Эта структура позволяет посылать электрические сигналы, как по «верху» транзистора, так и по обеим его «сторонам». За счет этого увеличивается площадь для прохождения тока, следовательно, снижается его плотность, а вместе с ней уменьшается и утечка. Тройной затвор строится на ультратонком слое полностью обедненного кремния, что обеспечивает еще большее снижение тока утечки и позволяет транзистору быстрее включаться и выключаться при значительном снижении энергопотребления.[2].

Этой технологии было присвоено имя Tri-Gate, и на этой основе выпущены многоядерные процессоры под названием Ive Bridge.

Особенностью этой конструкции также являются поднятые исток и сток - в результате снижается сопротивление, что позволяет транзистору работать при токе меньшей мощности.[2]

Для этого применяется структура кремния на изоляторе (silicon on insulator, SOI), при которой на кремниевую подложку наносится слой диэлектрика и на нем размещается сам транзистор, то есть легированные области стока и истока, а также область затвора. Паразитный заряд накапливается преимущественно в областях под стоком и затвором, поэтому, чтобы исключить накопление этого заряда, необходимо разместить диэлектрик непосредственно под стоком и истоком. Вследствие этого сокращается толщина транзистора и уменьшается его емкость.

Использование SOI-транзисторов позволяет без существенного изменения технологии их изготовления (нет необходимости в ином литографическом процессе) повысить скорость работы транзисторов в среднем на 25%.

Уменьшение емкости транзистора путем добавления слоя диэлектрика вглубь кремния влечет за собой одно негативное последствие: так как увеличивается сопротивление между истоком и стоком необходимо повысить напряжение, что, в целом отрицательно отразится на характеристиках транзистора и всей микросхемы в целом.

Для того чтобы снизить сопротивление между истоком и стоком, увеличивают высоты этих областей.

Исследователи разработали новый тип транзисторов из материалов, способных не только заменить кремний как основу микропроцессорной техники, но и привести к созданию трехмерной структуры транзистора вместо современной планарной структуры микрочипов. Новый подход к конструированию элементарной ячейки микросхем позволит изготавливать более миниатюрные и экономичные чипы. Технология подразумевает применение нанопроводников не из кремния, а из трехкомпонентного материала (твердого расплава) индий - галлий-мышьяк.

С выходом 22-нм техпроцесса Intel пришлось изменять структуру самих транзисторов. В качестве примера Бохр (Bohr) показал на Intel Developer Forum 2011 график для 22-нм транзисторов с разными значениями токов возбуждения/токов утечек в зависимости от приложения. Если требуется быстрый процессор, то можно допустить значительные токи утечки, но для других сценариев может потребоваться высокая производительность с минимальными токами утечки. В итоге можно использовать подходящую технологию изготовления процессоров в зависимости от сферы применения готовых чипов (высокая производительность, стандартная производительность, минимальное энергопотребление).

Бохр также рассказал и об основных преимуществах 22-нм техпроцесса:

· Преимущество по токам утечки благодаря полностью выработанным затворам. С меньшим напряжением транзистор выключается быстрее, у него меньше утечки в выключенном состоянии.

· При оптимизации под высокую производительность можно достичь высокой скорости переключения транзисторов при токах утечки в выключенном состоянии, сравнимых с планарными транзисторами.

· В целом, транзисторы с тройными затворами дают на 37% более высокую скорость переключения при напряжении 0,7 В - или, наоборот, потребляют на 50% меньше энергии в активном состоянии.

· Если требуется высокая производительность, то разработчики кристаллов могут объединять несколько технологий, чтобы достичь более высокой скорости.

Сотрудники университетов Пердью и Гарварда смогли создать трехмерный транзистор с круговым затвором, и именно на основе индий-галлий-мышьяка с высокой подвижностью носителей заряда.

Трехмерная структура транзистора в случае 22-нм интегральных микросхем не просто прихоть - она необходима, так как затвор "двухмерного" транзистора становится слишком мал, чтобы эффективно им управлять. То есть, как только мы снижаем размер затвора до 22 нанометров и ниже, необходимо существенно усложнять конструкцию транзистора. В этом случае идеальным становится круговой/цилиндрический затвор, внутри которого и находится канал транзистора. Такой подход позволяет при использовании кремния уменьшать топологические нормы интегральной микросхемы до 14 нанометров.

Нанопроводники, изготовленные из индий-галлий-мышьяка, будут применяться в 10-нм интегральных микросхемах. Последние исследования показали, что этот материал обладает в пять раз более высокой подвижностью носителей заряда, чем кремний. То есть, канал транзистора будет формироваться именно на основе индий-галлий-мышьяка. Но этого мало. Для 10-нм и более прецизионных техпроцессов необходимо применение и нового диэлектрического материала, необходимого для "выключения" транзистора. Сегодня общепринятым в микроэлектронике диэлектриком является диоксид кремния, но в случае 14-нм технологии утечки будут слишком велики, чтобы говорить о "запирании" транзистора.

Какие варианты исследователи рассматривают для замены диоксида кремния? Это материалы с более высокой диэлектрической проницаемостью, такие как диоксид гафния или диоксид алюминия. Технология получения диоксида гафния или диоксида алюминия является процессом атомно-слоевого осаждения. Это все позволяет инженерам получать транзисторы с очень тонкими диэлектрическими и металлическими слоями при формировании затвора. Такие транзисторы должны обладать отличными характеристиками - высокой производительностью при невысоком энергопотреблении, благодаря тому, что снижается напряжение на затворе и повышается скорость движения носителей заряда. Как результат - интегральные микросхемы с характеристиками, радикально отличающимися от современных аналогов.

Корпорация Intel уделяет огромное внимание разработке перспективных транзисторов трехмерной конструкции с тройным затвором, которая обеспечивает более эффективный расход энергии по сравнению с традиционными плоскими транзисторами. Эта разработка знаменует собой начало эпохи трехмерных конструкций транзисторов, которые корпорация Intel планирует принять на вооружение для поддержания темпов развития, согласующихся с законом Мура, по окончании текущего десятилетия.

вычислительный трехмерный транзистор диэлектрик

Лучшие статьи по информатике

Организация связи на железнодорожном транспорте на примере Свердловской железной дороги
Открытое акционерное общество «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД») Филиал «Свердловская железная дорога» Свердловский региональный центр связи (С ...

Электронавигационные приборы
На каждом судне для следования по намеченному курсу, выбора пути следования, контроля местонахождения в открытом море с учетом изменяющейся навигационной и ...

Основы разработки карманного осциллографа
Осциллограф - прибор, предназначенный для исследования электрических сигналов во временном области путём визуального наблюдения графика сигнала на экран ...