Рабочие листы
к вашим урокам
Скачать
1 слайд
Кафедра наноэлектроники и квантовых компьютеров
Физико-технологический институт
Российской академии наук
Приборы полупроводниковой микро- и наноэлектроники
В.В. Вьюрков – лектор, зам. зав. кафедрой
Факультет физической и квантовой электроники (ФФКЭ МФТИ)
2 слайд
План лекций
Технология наноэлектронных приборов
Теория наноэлектронных приборов
Квантовые компьютеры
3 слайд
Полевой транзистор – прибор с варьируемым сопротивлением
4 слайд
The end of Moore’s ‘law’?
5 слайд
IBM Gains Confidence in 22 nm ETSOI
(IEDM Conf., Dec. 2009)
6 слайд
Intel Going Vertical
for 22nm Transistors in 2011
7 слайд
Multi-gate FETs
N = 2
N = 3
N = 3,14
N = 3,4
N = 4
N = 3
Intel Corp.
8 слайд
Экспериментальный технологический маршрут
изготовления МДП КНИ - нанотранзистора
Основные этапы изготовления :
1. Формирование STI изоляции;
2. Изготовление затворного стека;
3. Изготовление спейсеров, истока/стока;
5. Изготовление контактов к стоку/ истоку;
6. Изоляция транзистора, формирование
контактных окон;
7. Металлизация.
9 слайд
Изготовление полевого транзистора
10 слайд
Изготовление полевого транзистора
11 слайд
Электронный литограф
Raith-150
150x150mm stage for direct writing over 6” wafers
Automatic airlock for sample loading
Schottky thermal field-emission filament
200V-30kV beam acceleration
2pA-10nA beam current
2nm beam resolution at 20kV
Laser interferometer for stage positioning with ~30nm precision
12 слайд
Аналитический автоэмиссионный растровый электронный микроскоп для исследования наноструктур ULTRA ZEISS
13 слайд
Установка атомно-слоевого осаждения FlexAl (Oxford Instruments Plasma Technology)
14 слайд
Установки фотолитографии (Zuss)
и нанесения резиста (Sawatec)
15 слайд
Установка плазмохимического травления Plasma Lab 100 Dual (Oxford Instruments Plasma Technology)
16 слайд
Установка быстрого фотонного отжига
Annealsys AS-100
Pyrometer and thermocouple control
Fast digital PID temperature controller
Temperature range: RT to 1200°C
Ramp rate up to 200°C/s
Cooling rate up to 100°C/s
RTA (Rapid Thermal Annealing)
RTO (Rapid thermal oxidation)
Diffusion, contact annealing
Nitridation
17 слайд
Теория наноэлектронных приборов
Требования современной электроники: Low-power и High-performance
Альтернативные механизмы переноса тока: туннелирование
Альтернативные материалы: графен и его модификации
Масштабирование традиционных полевых транзисторов;
18 слайд
SIMULATION
19 слайд
Эволюция моделей электронного транспорта
Charged fluid:
Hydrodynamic equations
Charged particles:
Boltzmann kinetic equation
Charged waves:
Schrödinger equation
20 слайд
Квантовые эффекты в полевых нанотранзисторах
Поперечное квантование;
Туннелирование и интерференция электронных волн;
Квантовая статистика.
21 слайд
Silicon conduction band structure
Effective mass and transversal quantization energy
22 слайд
Landauer-Büttiker formalism
Transversal quantization
(wave-guide modes) in a channel
Landauer-Buttiker formalism
1i
Rij
Tij
S
O
U
R
C
E
D
R
A
I
N
GATE
23 слайд
Everlasting controversy in kinetic simulation
Distribution function (equilibrium) is known only in contacts
Strong scattering in contacts
24 слайд
Heavy doping – low doping junction
at S/D contact
High self-consistent barrier at S/D contacts
Few of incident particles
surmount the barrier
=>
Equilibrium distribution
for particles
coming in the channel
Few of incident particles
surmount the barrier
=>
Equilibrium distribution
for particles
coming in the channel
Analytical solution obtained
for modified (BGK)
collision integral
in τ-approximation
25 слайд
Main strategy of simulation
Self-consistent solution of
Schrödinger equation
+
Maxwell equation
(Poisson equation)
26 слайд
Solution of 3D Schrödinger equation
V(x,y,z) is a potential.
The direct solution of the stationary 3D Schrödinger equation via a finite difference scheme comes across a well known instability caused by evanescent modes.
In fact, the exponential growth of upper modes
makes a computation impossible.
27 слайд
D.K.Ferry et al. (2005)
(США, Arizona State University):
results of simulation
28 слайд
Solution of Schrödinger equation:
transverse mode representation + high-precision arithmetic
where ψi(y,z) is the i-th transverse mode wave function,
N is a number of involved modes.
The space evolution of coefficients ai(x) is governed by matrix elements
The off-diagonal elements Mij manage the mode conversion.
The diagonal elements Mii manage the quantum reflection, interference and tunneling of the i-th mode.
29 слайд
Calculated transmission coefficient T(E)
vs. electron energy E
Transistor parameters are 10nm channel length and width, 5nm body thickness,
10^20 cm^-3 source/drain contact doping, 5nm contact length.
[100] and [010] valleys
[001] valleys
(4 random impurities in a channel)
30 слайд
Gate voltage characteristics
Sub-threshold swing is 71 mV per decade of current.
31 слайд
Impurities in channel:
32 слайд
Impurities in channel:
33 слайд
Corrugated channel:
34 слайд
Corrugated channel:
35 слайд
Dispersion of characteristics
5-15% in calculated I-V curves
< 10% is an everlasting condition for large integrated circuits
More severe demands to technology may arise.
36 слайд
Требования к современной электронике
37 слайд
Требования к современной электронике:
1) high performance
RC задержка инвертора
delay time = Rin * Cout
Необходима высокая проводимость канала транзисторов и малый размер транзистора
Предельная частота:
пролётное время
Необходима малая длина канала
(Intel – 22nm)
и/или высокая подвижность (новые материалы)
38 слайд
Требования к современной электронике:
2) low power
Потребляемая активная мощность
Необходимо малое напряжение питания и быстрое переключение между состояниями
Пассивная мощность
Необходим малый ток в закрытом состоянии
Большое отношение
39 слайд
Снижение энергопотребления
Предельная крутизна переключения: 60 мВ/дек
для термоэмиссионого механизма переноса тока
Как сделать круче?
40 слайд
Туннельные транзисторы
позволяют достичь
подпороговой крутизны выше (60мВ/дек)-1
при комнатной температуре
41 слайд
Tunnel FET vs. thermionic FET
Limits the drive voltage VDD>240 mV
to achieve 4 decade switching
Low voltage switching possible –
low power operation
42 слайд
Tunnel transisors
Shottky-barrier FET
Interband tunnel FET
Gate-controlled reverse-biased Shottky junction
Intraband metal-semiconductor tunneling
Gate-controlled reverse-biased Esaki junction
Valence-to-conduction band tunneling
43 слайд
Shottky-barier TFETs:
ultimate subthreshold slope
The subthreshold slope of tunnel component is large only when tunnel component is small and masked by thermionic current
The (60 mV/dec)-1 limit persists for SB FET despite the presence of tunneling
Schematic view of current components in SB FET vs gate voltage illustrating the impossibility to achieve subthermal steepness
D. Svintsov et.al. Semiconductors 47, p. 279 (2013)
W. G Vandenberghe. et al. Appl. Phys. Lett. 102, 013510 (2013)
44 слайд
TFETs subthreshold: state of the art
H. Lu ans A.C. Seabaugh IEEE Journal of the Electron Devices Society 2 p. 44-49 (2014)
45 слайд
Limits of the subthreshold slope:
band tails
Nonzero current due to tunneling from the DOS tails!
E.O. Kane Phys. Rev. 131, (1963)
S. Mookerjea et. al. IEEE EDL 31 (2010)
C.D. Bessire et. al. Nano Lett. 11 (2011)
46 слайд
E.O. Kane 1963 Phys. Rev 131 p. 79
Comparison of TFET modeling with perfectly flat bands (dashed) and taking into account the band tails (solid)
Limits of the subthreshold slope:
band tails
47 слайд
Multigate TFET with electrically induced p-n junction
48 слайд
Simulated characteristics of MG-TFET
Simulated I(VG)-curve for multigate FET with electrically induced junctions (MG TFET, solid) and common FETs with doped source and drain
Gate dielectric 2 nm, κ=25 (e.g. HfO2);
Distance between gates (“doping” and “control” gates) is 2 nm;
10 nm SOI thickness;
Better subthreshold due to tunneling in undoped region (no band tails);
Higher current due to abrupt screening of potential below the “doping” gate.
49 слайд
Graphene FETs
50 слайд
Graphene and nanotubes:
electronic properties
Graphene electronic spectrum
Semiconductor NT
Metallic NT
51 слайд
Graphene structures
Deposited or epitaxial (on SiC or hBN) graphene: mobility 5000-10000 cm^2/V s due to
interface defects and bulk phonons
Suspended graphene or twisted graphene stack: mobility 100000-200000 cm^2/V s
no
interface defects and bulk phonons
52 слайд
Электронные свойства графена
53 слайд
FET structure
54 слайд
Модель транспорта электронов в графене
Высокая частота межэлектронных столкновений позволяет описывать транспорт в гидродинамической модели
D. Svintsov, V. Vyurkov, S. Yurchenko, V. Ryzhii, T. Otsuji "Hydrodynamic model for electron-hole plasma in graphene", Journal of Applied Physics, Vol. 111, p. 083715 (2012)
D. Svintsov, V. Vyurkov, V. Ryzhii, T. Otsuji “Hydrodynamic electron transport and nonlinear waves in graphene”, Physical Review B, Vol. 88, p. 245444 (2013)
55 слайд
Моделирование характеристик полевых транзисторов
Эксперимент
Эксперимент
Теория
Теория
56 слайд
Bipolar graphene FET channel
Vd < Vg
Vd > Vg
Vd = 2Vg
Vd > 2Vg
57 слайд
Possible applications: Logic circuits?
Graphene
=> good Ohmic source
and drain contact
Gap=0
=> big OFF-state current
Bilayers, nanoribons or graphane
=> bad Ohmic source and
drain contact
Gap≠0
=> low OFF-state current
58 слайд
Graphene vertical tunnel FETs
L. Britnell et al ,Science vol. 335 p. 947 (2012)
L. Britnell et. al., Nature Communications vol. 4 art. no. 1794 (2013)
Layout of vertical graphene tunnel FET. Tunneling occurs between two graphene layers separated by 3-10 monolayers of boron nitride
Band diagram of graphene lateral TFET. The gate voltage controls the tunnel density of states, but not the barrier height
59 слайд
Graphene vertical tunnel FETs
L. Britnell et. al., Science 335 p. 947 (2012)
T. Georgiou et. al. Nature Nanotechnology 8 p. 100 (2013)
A. Mishchenko et. al. Nature Nanotechnology 9 p. 808 (2014)
Measured tunnel conductivity of vertical graphene TFET vs. gate voltage
Calculated current gain of vertical graphene TFET vs. frequency at different electron Fermi energies in source layer. Cutoff frequency ~10MHz expected due to small tunneling probability
60 слайд
Латеральный туннельный транзистор на основе графена
D. Svintsov et. al., Semiconductors vol. 47, p. 279-284 (2013)
D. Svintsov et. al., J. Phys. D: Appl. Phys. Special issue “Graphene devices” (2014)
Структуры предлагаемых транзисторов
Рассчитанные характеристики, демонстрирующие насыщение тока и высокое (>104) отношение токов открытого и закрытого состояний
61 слайд
Транзисторы на основе двухслойного графена
D. Svintsov, V. Vyurkov, V. Ryzhii, T. Otsuji "Effect of "Mexican Hat" on Graphene Bilayer Field-Effect Transistor Characteristics", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 50, Iss. 7, p. 070112 (2011)
62 слайд
Graphene bilayer
Conduction and valence band electron dispersions in graphene under applied transverse electric field
Gap opening up to ~0.4 eV by transverse electric field;
Symmetric “Mexican-hat” band dispersion
63 слайд
Graphene bilayer
Conduction and valence band electron dispersions in graphene under applied transverse electric field
Gap opening up to ~0.4 eV by transverse electric field;
Symmetric “Mexican-hat” band dispersion
Density of states in gapped graphene bilayer demonstrating a van Hove singularity
64 слайд
Exploiting the van Hove singularity in tunneling
(A) Layout of the proposed graphene bilayer TFET with electrically defined source and drain regions (B) Band diagram of graphene bilayer TFET for the optimal biasing conditions: VB > 0, US < 0, UD > 0. At zero top gate bias, VG = 0, the TFET is switched on, while at VG < 0 it is switched off.
Schematic dependence of direct interband tunneling current
on the band overlap in parabolic band semiconductors of
different dimensionality (3D, 2D, 1D) and graphene bilayer.
65 слайд
Graphene bilayer TFET characteristics
Calculated room-temperature gate transfer (left) and current-voltage (right) characteristics of
graphene bilayer TFET at fixed bias voltages at auxiliary gates: VB = 3.3 V, US = −0.6 V, UD = 0.25 V. Top
gate dielectric is 2 nm ZrO2, κ = 25, back gate dielectric is 10 nm SiO2, spacing between the source doping and control gates dg = 5 nm, spacing between drain doping and control gates is 10 nm. The regions highlighted in yellow correspond to the drive voltage swing of 150 mV, in which sufficient ON/OFF ratio and high ON-state current are achieved. Inset: gate transfer characteristic in the log scale.
66 слайд
Proposed FET positioning
67 слайд
Observation of interband tunneling in GBL
D. A. Bandurin, D. Svintsov, I. Gayduchenko, S. G. Xu, A. Principi, M. Moskotin, I. Tretyakov, D. Yagodkin, S. Zhukov, T. Taniguchi, K. Watanabe, I. V. Grigorieva, M. Polini, G. Goltsman,A. K. Geim, G. Fedorov “Resonant Terahertz Detection Using Graphene Plasmons” arXiv:1807.04703
68 слайд
QUANTUM COMPUTERS
69 слайд
History
Soviet mathematician Yu. Manin (1980) and
R. Feynman (1982) proposed to use a quantum system (quantum computer) for simulation of quantum systems.
Shor’s algorithm (1994): for integer factorization (to undermine the modern secret communication):
N is a number of digits
Classical factoring algorithm ~
Shor’s quantum factoring algorithm ~
Grover’s algorithm (1996): search in unsorted data base of N elements
quantum ~ , classical ~ N
70 слайд
Bit vs. Qubit
Bit Qubit Discrete |0> or |1>
Analog |0> and |1>
Qubit superpositional state
71 слайд
Classical register vs. Quantum register
Bits Qubits
Classical register Quantum register
|1>|0>|1>|1>|0>…
N bits of information Entangled states
-dimensional Hilbert space:
huge information capacity
> number of atoms in Universe
Sequential computation Quantum parallelism of computation
Great acceleration of several algorithms!
72 слайд
Entangled states in quantum computer: quantum parallelism
73 слайд
Realism and locality
in quantum mechanics
74 слайд
EPR pair (EPR paradox => non-locality)
EPR pair of photons is produced in non-linear crystal via down-conversion.
One photon is in Alice disposal, the next one is in Bob’s disposal.
Wave function of Bob’s photon is collapsed after Alice’s measurement. Is information instantly transmitted form Alice to Bob and the relativity principle broken? No.
The name “Eve” originates from the word “eavesdropping” – подслушивание.
75 слайд
Bomb paradox (Elitzur и Vaidman)
=> no realism
76 слайд
No cloning theorem
Consequences:
‘--’ quantum computing – error correction much complicated
‘++‘ quantum communication – secrecy is possible
Proof
The linearity of time evolution operator U(Δt) implies
77 слайд
Quantum communication:
Alice – Bob – Eve (eavesdropping)
I. EPR pairs Alice --------------- Bob
↑ EPR pair ↑
II. Single photons Alice ----------- Bob
78 слайд
Realizations
of quantum computers
Dopant atoms in silicon
Quantum dots
Ions in traps
Cold atoms in optic traps
NV-centers in diamond
Superconducting structures: charge, phase and transmon
2D electron gas with Quantum Hall Effect
2D electron gas on Helium,
and so on
79 слайд
Classical vs. Quantum
Bits Qubits Discrete |0> or |1> Analog Qubit superpositional
state |0> and |1>
Accuracy 10-4
Noise (decoherence) and technological variability!!!
Error correction???
80 слайд
Classical vs. quantum
81 слайд
ФТИАН
Прототип 1 - квантовый компьютер
на ядерных спинах атомов фосфора
в моноизотопном кремнии (Кейн, 1998)
Главная технологическая операция –
помещение одиночных примесных атомов фосфора в узлы кристаллической решетки моноизотопного кремния в определенных местах структуры – до сих пор не разработана.
82 слайд
Предыстория
Квантовый компьютер на основе двойных квантовых точках
. Fedichkin, M. Yanchenko, K.A. Valiev, Nanotechnology 11, 387 (2000) 141, 146 39.
Квантовый компьютер без перемещения заряда (борьба с декогерентизацией)
V. Vyurkov, S. Filippov, L. Gorelik. Quantum computing based on space states without charge transfer. Physics Letters A 374, 3285–3291 (2010)
Измерение состояния квантового регистра в канале транзистора в режиме кулоновской блокады тока
M. Rudenko, V. Vyurkov, S. Filippov, A. Orlikovsky. Quantum register in a field-effect transistor channel. Int. Conf. “Micro- and nanoelectronics – 2014”, Moscow, Russia, October 6-10, 2014, Book of Abstracts, p. q1-05
83 слайд
From quantum transistor
to quantum computer
Quantum confinement;
Tunneling and interference of electron waves;
Quantum statistics.
84 слайд
Quantum computer in transistor channel
ФТИАН
85 слайд
1а. Технический облик - лабораторный
Микросхема регистра с контактами
Измерительная установка
86 слайд
1б. Технический облик - коммерческий
Интегральная схема регистра с управляющей и измерительной системой
87 слайд
Field-defined quantum dots
Symmetric state in DQD
Asymmetric state in DQD
88 слайд
Basic states in a DQD
Potential in a DQD
Symmetric
Antisymmetric
Electron wave-function in a DQD
89 слайд
Basic states of two DQDs
(without charge transfer !)
Potential in two DQDs
Wave-function of two electrons in two DQDs
basis*
90 слайд
Basic states of a qubit
Spin-polarized electrons:
91 слайд
Qubit states
92 слайд
Qubit states
93 слайд
Realization of SWAP-gate
94 слайд
Realization of sqrt-SWAP
95 слайд
Realization of CNOT-gate
96 слайд
Coulomb blockade of current
for measurement
Dot occupied => potential barrier
Dot vacant => potential well
Rough condition of Coulomb blockade: dot size D > Bohr radius
97 слайд
Calculated transmission coefficients
For fairly smooth potential profile the transmission through the well tends to 1
whereas the transmission through the barrier tends to 0
98 слайд
Альтернативные проекты QC
во ФТИАН
99 слайд
Квантовый регистр на основе двойных квантовых точек в оптическом резонаторе
100 слайд
Квантовые компьютеры на NV-центрах в алмазе
Искусственные алмазы:
3A2
Спиновый кубит на электронных уровнях NV-центра
101 слайд
Эпилог
С
Light at the end of the tunnel
102 слайд
Collaboration
Наноэлектронные технологии
АО Микрон и НИИМЭ
ИФП СО РАН
Фраунгоферовский институт (Германия)
Графен
Лаборатория двумерных систем МФТИ (Д. Свинцов)
Университет Тохоку (Япония)
ИПТМ РАН
ТГц
МГУ им. М.В. Ломоносова
ИСВЧПЭ РАН
Квантовые компьютеры
Лаборатория квантовой информатики МФТИ (С. Филиппов)
МГУ им. М.В. Ломоносова
ИФП СО РАН
103 слайд
СПАСИБО
за ВНИМАНИЕ!!!
104 слайд
THANK YOU !!!
105 слайд
106 слайд
107 слайд
108 слайд
Квантовые эффекты в полевых нанотранзисторах
Уравнение Шредингера:
Уравнение Пуассона:
Формула Ландауэра:
109 слайд
Теория наноэлектронных приборов
Цели современной наноэлектроники: Low-power и High-performance
Альтернативные механизмы переноса тока: туннелирование
Альтернативные материалы: графен и его модификации (в сотрудничестве с университетом Тохоку, Япония)
Масштабирование традиционных полевых транзисторов.
110 слайд
Транзисторы на основе графена: новые вопросы
Объяснение отрицательной дифференциальной проводимости;
Амбиполярные эффекты в полевых транзисторах – одновременное наличие электронов и дырок;
Создание инжекционных лазеров на основе графена.
V. Ryzhii, I. Semenikhin, M. Ryzhii, D. Svintsov, V. Vyurkov, A. Satou, and T. Otsuji “Double injection in graphene p-i-n structures”, Journal of Applied Physics, Vol. 113, p. 244505 (2013)
111 слайд
Basic states in a DQD
Potential in a DQD
Symmetric
Antisymmetric
Electron wave-function in a DQD
112 слайд
Coulomb blockade for measurement
113 слайд
Терагерцовые лазеры на основе графена
114 слайд
Терагерцовые лазеры на основе графена
Создание квантовой теории оптического поглощения в графене с неравновесными носителями;
Расчет рекомбинационных процессов, обусловленных взаимодействием квазичастиц.
115 слайд
Электронные свойства графена
Бесщелевой полупроводник;
Линейный закон дисперсии
Отсутствие обратного рассеяния
Рабочие листы
к вашим урокам
Скачать
6 624 810 материалов в базе
Настоящий материал опубликован пользователем Обухова Ольга Витальевна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Удалить материалВаша скидка на курсы
40%Курс повышения квалификации
72 ч.
Курс повышения квалификации
72/108 ч.
Курс профессиональной переподготовки
300 ч. — 1200 ч.
Мини-курс
4 ч.
Мини-курс
4 ч.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.