CENTRUL DE CERCETARE HYPERION

Untitled Document

Contract 556/2008

Contract 556/2008
Calculul analitic si determinarea experimentala teoretica a caracteristcilor de tip tranzistori tunel utilizabili in aplicatii microelectronice
Denumirea Programului din PN II: IDEI
Tip proiect: Proiect de cercetare exploratorie
Valoarea contractului: 1000000 lei
Durata Contractului: 36 luni
Autoritate Contractanta: Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior si a Cercetarii Stiintifice Universitare
Contractor: Universitatea Hyperion din Bucuresti
Director proiect: Prof. univ. dr. Sever Spanulescu
REZUMATUL PROIECTULUI:
Prezenta propunere de Grant vizeaza studiul mai multor variante de structuri de tip tranzistor tunel prin modelare fizica si matematica si comparatie cu date experimentale. Exista posibilitatea descrierii analitice si prin calcul numeric a caracateristicilor unor astfel de tranzistori prin combinarea unor metode fizice si matematice, si anume: Rezolvarea ecuatiilor de cu derivate partiale si conditii de frontiera de tip Laplace pentru determinarea distributiei de potential intr-o structura cu geometrie si compozitie complexa prin metode de iteratie numeica si aplicarea datelor referitoare la potentiale la teoria cuantica a tunelarii electronilor prin bariere de diverse forme si compozitii.Expresiile curentilor de tunelare intre electrozi caracterizeaza apriori performantele de amplificare si comutatie ale unor astfel de tranzistori cu un grad arbitrar de mare de precizie in functie de numarul de iteratii. Devine posibil, deci studiul diverselor configuratii de electrozi si structuri de materiale fara a fi necesara in faza preliminara realizarea practica a dispozitivului. In acest fel se pot gasi, cu costuri mult mai scazute cele mai bune variante de realizare a unor astfel de tranzistori, pentru diverse aplicatii urmand ca partea experimentala sa porneasca de la premize cat mai apropiate de varianta tehnologica finala. Pachetul de programe care va fi realizar permite deci micsorarea puternica a timpului de dezvoltare a acestor dispozitive si introducerea rapida in fabricatie de serie a tipurilor celor mai adecvate pentru diverse aplicatii. Realizarea tranzistorilor tunel se poate dovedi cruciala pentru avansul tehnologiilor microelectronice, care vor ajunge in curand la limita la care curentii de tunelare vor deveni importanti in raport cu ceilalti curenti din dispozitivele cu corp solid bazate pe tehnologiile actuale. Structurile bazate pe efect tunel nu prezinta purtatori minoritari permitand atat un grad mare de integrare cat si viteze foarte mari.
IMPORTANTA SI RELEVANTA CONTINUTULUI STIINTIFIC:
Exemplu de configuratie propusa pentru transistor vertical
Cercetarile legate de aplicatiile in electronica ale fizicii corpului solid au cunoscut in ultimele decenii o dezvoltare spectaculoasa, generand un progres deosebit al cunostintelor fundamentale si al dispozitivelor si aparaturii electronice si informatice. Progresul tehnologic generat a fost continuu, desi cerintele impuse au fost din ce in ce mai mari, fiind sustinut de o fundamentare stiintifica riguroasa si impulsionand la randul sau dezvoltarea fizicii starii condensate. Ciclul de penetrare a rezultatelor stiintifice noi in domeniul cercetarii, industriei si bunurilor de larg consum a fost unul dintre cele mai scurte in dinamica cercetarii stiintifice si tehnologice, putand fi observat in cresterea continua a performantelor aparaturii electronice si in special ale tehnicii de calcul.
Pe masura ce gradul de integrare al dispozitivelor cu corp solid creste, iar dimensiunile structuriloe componente scad, pe langa imbunatatirea semnificativa a caracteristicilor acestora incep sa apara fenomene noi care necesita uneori schimbari radicale de conceptie si abordarea prin metode ale unor doemnii conexe ale fizicii. Astfel, dupa cum se stie, odata cu cresterea grradului de integrare in circuitele microelecronice, care continua sa respecte legea lui Moore (dublare a numarului de tranzistori integrabili la fiecare 2 ani), scaderea dimensiunilor strcuturiloe conduce la aparitia unor curenti de scurgere paraziti datorati efectului tunel, care maresc consumul de putere si ridica probleme legate de disiparea caldurii generate.
Deja s-a trecut la structuri de 45 nm(Intel 2007), unde curentul de tunelare se manifesta puternic in izolatorul dintre poarta si canal, care ar fi trebuit sa aiba grosimi de 1-2 nm. O solutie temporara pentru rezolvarea acestei probleme o constituie introducerea materialelor cu constanta dielectrica mare(High-K Dielectrics-HKD) in locul bioxidului de siliciu din care era realizat conventional izolatorul portii in structurile de tip MOSFET, dominante la ora actuala. Acesta permite grosimi de 3 nm ale izolatiei portii de 3nm ale izolatiei portii in conditiile unei capacitati de comanda corespunzatoare, la aceste grosimi curentii de tunelare ramanand in limite acceptabile. Astfel, Intel a anuntat utilizarea de HKD bazati pe hafniu(probabil HfSiON) inca din 2007, la trecerea la seria de procesoare in tehnologia de 45 nm Penryn, iar IBM a anuntat tehnologii similare pentru unele produse in 2008. Totusi, este clar ca in conditiile micsorarii in continuare a dimensiunilor nu va mai fi posibila neglijarea curentilor de tunelare si va fi necesara includerea lor ca parte activa, principala, in functionarea tranzistorilor din circuitele microelectronice. Pachetele de programe de simulare a unor structuri de dispozitive semiconductoare, cum ar fi Silvaco Atlas, pe langa costuri foarte mari (100-500 mii $), au o aplicabilitate destul de limitata pentru structuri apropiate de cele conventionale si utilizeaza diverse aproximatii derivate din cea clasica WKB, cum ar fi modelul nelocal Hurkx de tunelare banda-banda sau modele locale. Este posibil ca astfel de simulari sa dea rezultate destul de departe de cele reale pentru structuri si materiale neconventionale; de aceea, in astfel de cazuri trebuie facute comparatii cu calcule mai exacte.
Efectul tunel este un proces pur cuantic manifestat prin trecerea puratorilor de sarcina, de regula electronii, printr-o bariera de potential spre regiuni clasic interzise, datorita caracterului probabilistic al localizarii electronilor. Acesta este descris calitativ foarte bine de ecuatia Schreoedinger cu conditiile specifice geometriei , structurii si potentialelor aplicate. Cazul unidimensional este decsris de cunoascuta ecuatie Fowler-Nordheim care da densitatea de curent prin bariera in functie de intensitatea campului electric in in bariera. Totusi, anumite aspectecantitative nu sunt inca elucidate, curentul de tunelare aparand la grosimi mai mari ale ale barierei decat cele prezise, fapt explicat de cele mai multe ori prin starile cuantice de suprafata.
Pentru geometrii complexe si sisteme bidimensionale sau tridimensionale, ecuatia Fowler -Nordheim nu mai este aplicabila, deoarece campul electric nu mai poate fi considerat uniform. Pentru rezolvarea analitica a ecuatiei Schrodinger in aceste cazuri, trebuie cunoscuta punctual valoarea potentialului, ceea ce ar conduce la dificultati matematice legate de integrarea ecuatiei Laplace pentru conditiile de frontiera respective. Descriereaanalitica a acestor conditii este dificila, si nu exista siguranta ca ecuatia Laplace ar avea solutii analitice exprimabile prin functii cunoscute in cazuriel de interes. Doar in putine cazuri, cu geometrii foarte simple si cun un grad ridicat de simetrie astfel de solutii exista, si este posibil ca fortarea analitica a solutiilor sa genereze aparitia unor functii speciale necunsocute, greu de calculat. Aparatul matematic existent este de cele mai multe ori axat pe aplicatii avand o structura mult mai simpla si cu anumite simetrii particulare, astfel incat aplicatiile microelectronice, caracetrizate printr-o complexitate crescanda, ar trebui sustinute de cercetare fundamentala in unele aspecte ale teoriei ecuatiilor diferentiale cu derivate partiale si ale mecanicii cuantice. De asemenea, diversele variante de structuri de tip tranzistor tunel care utilizeaza gropi cuantice apeleaza la mecanisme de rezonanta in efectele de tunelare si necesita o tratare cuantica mai complexa, in special in conditiile utilizarii desemiconductori neconventionali.
Desi efectul tunel este bine cunoscut si descris de mecanica cuantica, fiind prezent in numeroase aplicatii in domeniul dispozitivelor cu corp solid (incepand cu diodele tunel si terminand cu microscopul cu efect tunel), nu exista inca formule analitice care sa furnizeze predictii in concordanta cu experimentul decat in cazuri foarte simple de structuri de tip tunel.
De asemenea, desi s-au facut unele propuneri de structuri de tip tranzistor bazate pe efectul tunel, acestea sunt doar dispozitive experimentale care, nefiind sustinute de expresii si metode de calcul ale caracteristicilor impiedica inca trecerea la aplicatii industriale.
In utilimii ani s-au manifestat mai multe directii de dezvoltare a unor astfel de dispozitive. Astfel, exista modele propuse pentru tranzistori cu bariera simpla si altele care includ una sau mai multe gropi cuantice in bariera tunelata. Primul tip se bazeaza pe modularea prin intermediul unui electrod auxiliar a intensitatii campului electric din bariera cu influenta directa asupra curentului de tunelare Fowler-Nordheim. Al doilea tip se bazeaza pe efectele de rezonanta intre gropi cuantice intre care apare un curent de tunelare semnificativ daca sunt satisfacute anumite conditii de echivalenta a nivelelor cuantice in aceste gropi. Un electrod auxiliar regleaza conditiile de rezonanta, permitand sau inhiband curentul de tunelare astfel ca structura este usor de utilizat ca dispozitiv de comutatie.
Din punct de vedere al geometriei si tehnologiei exista de asemenea mai multe tipuri de structuri de tranzistori tunel. Astfel, cel mai promitatorpare a fi tranzistorul vertical(exemplu in figura 1 ), in care electrozii sunt suprapusi, ceea ce permite un foaret bun control al grosimii stratului de bariera si deci a reproductibilitatii in conditiile integrarii pe scara larga.
Exemplu de configuratie propusa pentru tranzistor tunel lateral
De asemenea s-au propus si structuri laterale (exemplu in figura 2 ), bazate pe o bariera coulombiana generata in jonctiuni p-n laterale care se preteaza mai usor controlului de catre un electrod poarta. Exista si unele structuri mixte in care geometriile sunt atat verticale cat si orizontale, precum si dispozitive speciale cum ar fi tranzistrorul tunel magnetic si tranzistorul tunel unielectron (SET) folosite ca structuri in cercetarea stiintifica .
Printre avantajele acestei tehnologii fata de cele conventionale, in literatura se demonstreaza:
-posibilitatea micsorarii dimensiunilor sub cele ale tehnologiilor conventionale, fara aparitia de curenti paraziti care produc consumuri exagerate de putere si probleme de racire.
-neimplicarea purtatorilor minoritari in mecanismele active, ceea ce micsoreaza puternic timpul de tranzit si permite realizarea unor viteze de zeci si sute de ori mai mari decat cele ale tehnologiilor actuale;
-posibilitatea de a inlocui substratul semiconductor cu metale, ceea ce diminueaza sensibilitatea la radiatii.
-spre deosebire de tehnologia cea mai raspandita, MOSFET, care are panta teoretic limitata la 60mV/dec, in tranzistorul tunel nu exista o astfel de limitare.
Exista deja un numar de patente pentru aplicarea industriala a tehnologiilor de tranzistoare tunel, dar producatorii de semiconductori nu par sa le fi inclus in inca in productia de serie atat timp cat tehnologiile conventionale mai pot face fata legii More. Cu toate acestea, deoarece curentul de tunelare variaza exponential cu scaderea dimensiunilor, si deci constanta electrica a materialelor HKD ar trebui sa varieze la fel pentru a le mentine in limite rezonabile, intr-un viitor apropiat efectul tunel va juca un rol primordial in dispozitivele microelectronice.
Pe ansamblu, se poate spune ca domeniul are ca miza tehnologii foarte promitatoare, care genereaza un efort masiv de cercetare pe plan mondial.