«КОМПАКТНАЯ SPICE -МОДЕЛЬ КНИ МОП-ТРАНЗИСТОРА ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СПЕЦСТОЙКИХ СБИС
ИнститутфизикиполупроводниковСОРАН...
Transcript of ИнститутфизикиполупроводниковСОРАН...
1
Кремниевые транзисторы вблизи
физических пределов масштабирования
11 проблем
В.П. Попов
Институт физики полупроводников СО РАН, Новосибирск
1. Введение. МОП транзисторы с длиной канала 10 нм
2. Модель неоднородного канала
3. Квазибаллистический транспорт
4. Подвижность носителей вблизи барьера
5. Перспективные МОП транзисторы
6. Заключение
Содержание Содержание
R, Dutton in PhD of Reza Navid, 2005
Анод Сетка Катод Анод Сетка Катод
Прогресс
Прогресс
Ограничение
тока ОПЗ Ограничение
тока инжекц.
Длинный каналКороткий канал
МОП транзистор – триод с модуляцией проводимости поперечным полем
Хорошая идея, но…
МОП транзистор – триод с модуляцией проводимости поперечным полем
Oscar Heil described the possibility
of controlling the resistance in
a semiconducting material with an
electric field in British patent in 1935.
Julius Edgar Lilienfeld (1881-1963) ...
US patent 1900018 "Device for controlling
electric current" filed on 28.03.1928
Elvira Fortunato et al., Appl.Phys.Lett., 96, 92102-3 ( April 2010)
2010: …first thin film p-MOSFET on Cu2O with
satisfactory requirements for practical applications…
МОП транзистор – триод с модуляцией проводимости поперечным полем
Кремниевый МОП транзистор
Si
Source
Si
Drain
Al Gate
Al Gate
1960: First MOSFET by Dawon Kahng and Martin M. (John) Atalla
Al
SiO2
Si
Исключительное
качество границы!
Single Core
6 Core
Dual Core
8 Core
Quad Core
Intel: >300 million 45 nm CPUs shipped to date
T. Ghani . Nikkei Presentation, 2009
МОП транзистор – триод с модуляцией проводимости поперечным полем
Нет других человеческих артефактов, сделанных в большем количестве. “…некоторые рассматривают его как один из важнейших технологических
прорывов в человеческой истории…” (Wikipedia, the source of all human knowledge)
8
МОП транзистор – триод с модуляцией проводимости поперечным полем
Величина
Полная проводимость
Внутренняя проводимость
Проводимость на стоке
Ёмкость затвор –истока
Ёмкость затвор – стока
Частота отсечки
Полевая (эффективная)подвижность
Определение
МОП транзистор – триод с модуляцией проводимости поперечным полем
Y – функция Y = ID/(gm)0.5 =(μ0fgCoxVD)0.5 (VG-VT)
МОП транзистор – триод с модуляцией проводимости поперечным полем
Подпороговый наклон S Y – функция: Y = ID/(gm)0.5 =(μ0fgCoxVD)0.5 (VG-VT)
1990’ые: «Золотая эра» масштабированияуменьшение Vcc, Tox & Lg и увеличение Idsat
• Уменьшение толщины диэлектрика- ключевой параметр для Lgate
• Сверхмелкие p-n переходы- важный параметр для Lgate
- резкий профиль (REXT )
• Масштабирование Vcc
- снижение XD (меньшие ОПЗ и SCE)
- Но, не выполняется Efield = const
Принцип электростатического подобия Деннарда и закон Мура
R. Dennard et.al. IEEE JSSC, 1974
Проблема -2 :
Проблема -1 :
Проблема 0 :
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
1.E+01
1.E+02
1.E+03
1.E+04
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
TOX Physical [nm]
JO
X [
A/c
m2]
180nmNitrided SiO2
SiO2
[Lo et. al, EDL97]
130nm
Jox limit
• Прямое туннелирование через слойподзатворного диэлектрика
Истощение слоя диэлектрика
• Модель универсальной подвижности• Рассеяние на ионизованной примеси
Деградация подвижности
VLSI Symp. 2000
Mobili
ty (
cm
2 /(V
.s)
100
150
200
250
300
0 0.5 1 1.5
E EFF [MV/cm]
NA=
3x1017
1.3x1018
1.8x1018
2.5x1018
3.3x1018
Universal
Mobility
Начало 2000х – конец стандартного масштабирования
T. Ghani . Nikkei Presentation, 2009
Объект – МОП транзисторы с длиной канала 10 нм
Khakifirooz, A., Antoniadis, D.A.: MOSFET performance
scaling—Part I: Historical trends.
IEEE Trans. Electron. Devices 55, 1391–1408 (2008)
D.Fleury et al. 2009 Symposia on VLSI Technology,
E. Pop. Energy Dissipation and Transport in Nanoscale Devices. Nano Research 3, 147 (2010)
Идеальные и реальные твердотельные ключи
2005
In US is 20 GWatts
0
1
2010
100
1000
1995 2000 2005 2010
Gate
Pitch
(nm) 0.7x every
2 years
32nm
65nm
45nm
112.5 nm
PitchPitchPitch
Intel 32 nm transistors provide the tightest gate pitch of any
reported 32 nm or 28 nm technology
Принцип электростатического подобия Деннарда и закон Мура
T. Ghani . Nikkei Presentation, 2009
Frank Schwierz. Graphene Transistors. Nature Nanotechnology. Published online: 30 May 2010
2010: 50 лет после появления полевого транзистора на кремнии
• Масштабирование невозможно при сохранении длины затвора
• Обычные способы укорочения достигли физического предела
Для сохранения закона Мура обязательно укорочение затвора
Объект – МОП транзисторы с длиной канала 10 нм
Micrometer channel length
Nanometer
channel length
Semiconductors – λT ≈ 10nm,
Metals – λF ≈ 1nm
V. Lukichev. Field-effect nanotransistor as a quantum waveguide. IEEE Conf. Altai-2010
Объект – МОП транзисторы с длиной канала 10 нм
Charged fluid:
Hydrodynamic equations
Charged particles:
Boltzmann kinetic equation
Charged waves:
Schrödinger equation
Новые технологии, материалы и эволюционный дизайн
обеспечили для 20 нм КМОПТ решение 3 проблем и
предельные параметры …
Ion > 1000 μA/μm
Ioff < 1000 pA/μm
умеренное тепловыделение
Нерешенные 7 проблем 20 10 нм КMOП транзисторов:
(1) подвижность носителей
(2) уменьшение DOS
(3) альтернативные материалы
(4) ориентация канала и подложки
(5) квантовая ѐмкость
(6) утечки туннeлирования (Source-to-Drain & Band-to-
Band Tunnelling – SDT & B2BT)
(7) дальнодействующее кулоновское (плазмонное)
рассеяние
Решения и проблемы в технологии до 20 нм КМОП транзисторов
( Ion/Ioff > 105 )
1. Введение. МОП транзисторы с длиной канала 10 нм
2. Модель неоднородного канала
3. Квазибаллистический транспорт
4. Подвижность носителей вблизи барьера
5. Перспективные МОП транзисторы
6. Заключение
Содержание Содержание
21
Объѐмный или частично обедняемый металл-оксид-полупроводниковый транзистор
(МОПТ):
МОПТ с полным обеднением:
МОПТ с двойным затвором (DG):
Нанопроволочный МОПТ (SINWT):
dep
OX
OXAFFBth w
tqNVV
0
2 A
FSidep
Nqw
04
Si
OX
OXAFFBth t
tqNVV
0
2
22
0
Si
OX
OXAFFBth
ttqNVV
…толщина слоя КНИ - новая переменная для масштабирования МОПТ
Конструирование канала толщиной слоя кремния-на-изоляторе
42
0
Si
OX
OXAFFBth
ttqNVV
В.П.Попов, О.В.Наумова, И.Е.Тысченко и др., ФТП, Микроэл. и т.д. (1998 - 2010)
За 1998 – 2009 гг. на опытной линейке ИФП изготовлено более 5 тыс. КНИ пластин диаметром 100 и
150 мм для приборов микро- , нано- и биоэлектроники.
Оборудование выработало ресурс. Его стоимость для новой линии (200 мм, 5 тыс. шт./год) - до 500
млн. руб; (300 мм, 30 тыс. шт./год) – до 900 млн. руб. Стоимость чистых помещений– 400 млн.руб.
Рост рынка КНИ обеспечен увеличением доли высокопроизводительных процессоров на КНИ, объѐм
выпуска которых превысил 30%. Сдерживающий фактор для рынка - 3-4х кратная цена КНИ в сравнении
с объѐмным кремнием. Доля технологии Smart Cut ® на рынке КНИ > 80%.
Изготовление структур кремния-на-изоляторе с заданной толщиной слоев
V.P. Popov, I.V. Antonova, V.F. Stas et al., J. Mater. Sci. Eng. B, 73, 82 (2000)
(BOX)
tsi = 3 nm
Зависимость подвижности от длины канала LG
50 nm
Source Gate Drain
контакт (Al)
50 nm
Source Gate Drain
Изолятор
(SiO2)
Изолятор
(SiO2)
контакт (Al)
10 m
КНИ остров
а б
в
а) микрофотография РЭМ вид сверху б) нанометровый затвор из поликремнияв) распред еление примесей и p-n переходов в сечении б).
1018см-3
A. A. Frantsuzov , N. I. Boyarkina and V. P. Popov. Semiconductors, 42, (2) 215-219 (2008).
Rs = Rd = Rsd /2 = rS(D)+r0
0 1 20,0
0,5
1,0
1,5
2,0
5
4
3
2
1
JL / W
, 1
0 -
5 A
VG, V
j1=1/L1 Cox {VG -j(rS+ r0)-Vt -0.5[VD-j(rS+ rD+2r0)]} [VD-j(rS+rD+2r0)]
j2=1/L2 Cox {VG -j(rS+r0)-Vt -0.5[VD -j(rS+rD+2r0)]} [VD-j(rS+rD+2r0)]
1,5 2,0 2,50
1
2
3
4
5
0
100
200
300
400
500
0, c
m2 V
-1c
-1
r 0,
kO
m
VG, V
A. A. Frantsuzov , N. I. Boyarkina and V. P. Popov. Semiconductors, 42, (2) 215-219 (2008).
Зависимость подвижности от длины канала LG
Виртуальный исток/сток
Проблема 1 :
1. 3.6 m
2. 1.7
3. 3.8
4. 0.8
5. 0.3
• Уменьшение µeff с уменьшением L обусловленовкладом исток- стока 2 L00 с низкой подвижностью 00:
• При VD << VG - VT выражение:
подобно правилу Матиссена.
1
0
0
0 )(
TGoxD VVC
L
WJV
1
00
00
00 )(
TGoxD VVC
L
WJV
)2()(200
00
0
01
000
LLVVWCJVVV TGoxDDD
00
00
0
0 2
LLL
eff
Зависимость подвижности от длины канала LG
Виртуальный исток/сток
A. A. Frantsuzov , N. I. Boyarkina and V. P. Popov. Semiconductors, 42, (2) 215-219 (2008).
Эффективная подвижность в канале:
d
thgox
eff I
VVC )(75.01
[1] F. Andrieu et al., VLSI 2005. [2] A. Cros et al., IEDM 2006.
Зависимость подвижности от длины канала LG
L
A
L
L
L
L
L
LL
eff
0000
00
0
00
00
00
0
111212211
0 1 2 30
2
4
6
8Part 2
Part 1
1/m
u,1
0 -
3 c
m -
2 V
c
1/L, m -1
10 100 1000 100000
1x102
2x102
3x102
4x102
Mo
bili
ty, cm
2/ V
s
Gate length, nm
SOI
sSOI
bulk Si
bulk sSi
S.Cristoloveanu, J.Appl.Phys. 2007
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
0,002
0,004
0,006
0,008
0,010
0,012
0,014
0 = 250
0 = 460 cm
2/ Vs
1/
, Vs
/ cm
2
1 / L , nm-1
0 = 415
SOI
sSOI
bulk SI
bulk sSi0 = 150
C. Dupré, T. Ernst, J.-M. Hartmann, F. Andrieu, et al. Carrier
mobility degradation due to high dose implantation in ultrathin
unstrained and strained silicon-on-insulator films. J. Appl. Phys., 102, 104505(8), 2007
Зависимость подвижности от длины канала LG
A. A. Frantsuzov , N. I. Boyarkina and V. P. Popov.
Decrease of effective electron mobility in channel of metal-
oxide-semiconductor field effect transistor with gate length decreasing. Semiconductors, 42, (2) 215-219 (2008).
V. P. Popov, M.A . Ilnitsky, IX Russian Conf. on Semiconductors, 29 Sent. - 3 Oct. 2009.
0 100 200 300 400 500 600 700 800
50
100
150
200
250
300
350
400
Mo
bili
ty, cm
2V
-1s
-1
Channel length, nm
nMOS
Base: B1e17cm-3
GateOxide=5nm Vsd
=0.001V
GateOxide=5nm Vsd
=0.01V
GateOxide=1nm Vsd
=0.001V
GateOxide=1nm Vsd
=0.01V
МОП транзистор в режиме инверсии
L = 10 ÷800 nm
Диффузионно-дрейфовое прибл.
V=0
V=0
V=1V=0 Ws
i
Drain
Lgate
Gate
Gate
Source
Wsi=20nm
Wsi= 10nm
Si
AqN
yx =
d
fd+
d
fd2
2
2
2
Multi-Gate транзисторы уменьшают SCE:
– Затворы снижают разброс Vdrain
– Уменьшают пороговое напр.( ID)– Снижают легирование N (meff)
Multi-Gate обеспечивает меньшее Eeff:
– Работа выхода затвора вдали от краязоны уменьшает Eeff (meff)
MG МОП транзистор в режиме инверсии
МОПT с двойным затвором
O.V. Naumova, M.A. Ilnitsky, L.N. Safronov, V.P. Popov. Semicond., v. 41, p.103-109, 2007
MG МОП транзистор в режиме аккумуляции
V=0
V=0
V=1V=0 Ws
i
Drain
Lgate
Gate
Gate
Source
Si
DqN
yx =
d
fd+
d
fd2
2
2
2
O.V. Naumova, M.A. Ilnitsky, L.N. Safronov, V.P. Popov. Semicond., v. 41, p.103-109, 2007
Беспереходный (junctionless) МОПT с двойным затвором
сопротивление с двойным затвором
L = 20 ÷160 nm
В.П. Попов, М.А. Ильницкий, в печати (2010)
MG МОП транзистор в режиме инверсии и аккумуляции
Расчёт подвижности выполнялся по формуле:
eff=I(Vg)·L/(W ·Cox·Vd·(Vg-Vt)), о = 1300 см2В-1с-1 , 0 = 740 см2В-1с-1
где I(Vg) и Vt - из затворной характеристики.
Профили легирования
Vg=0В Vg=1.0В Vg=1.5В Vg=2.0В
Vd=0.01В
Vd=0.01В
Vd=0.01В
В.П. Попов, М.А. Ильницкий, в печати (2010)
MG МОП транзистор в режиме инверсии и аккумуляции
L = 40 nm L = 160 nm
В.П. Попов, М.А. Ильницкий, в печати (2010)
MG МОП транзистор в режиме инверсии и аккумуляции
L = 40 nm L = 160 nm
MG МОП транзистор в режиме инверсии и аккумуляции
Плотность электронов
Vd=0.01В
Vd=0.01В
Vd=0.01В
В.П. Попов, М.А. Ильницкий, в печати (2010)
Vg=0В Vg=1.0В Vg=1.5В Vg=2.0В
MG МОП транзистор в режиме инверсии и аккумуляции
Vd=0.01В
Vd=0.01В
Vd=0.01В
Энергия дна зоны проводимости
В.П. Попов, М.А. Ильницкий, в печати (2010)
Vg=0В Vg=1.0В Vg=1.5В Vg=2.0В
В.П. Попов, М.А. Ильницкий, в печати (2010)
MG МОП транзистор в режиме инверсии и аккумуляции
Напряженность поля
Vd=0.01В
Vd=0.01В
Vd=0.01В
Vg=0В Vg=1.0В Vg=1.5В Vg=2.0В
MG МОП транзистор в режиме инверсии и аккумуляции
Подвижность электронов
Vd=0.01В
Vd=0.01В
Vd=0.01В
В.П. Попов, М.А. Ильницкий, в печати (2010)
Vg=0В Vg=1.0В Vg=1.5В Vg=2.0В
MG МОП транзистор в режиме инверсии и аккумуляции
Подвижность электронов
Vd=1.0 В
Vd=1.0 В
Vd=1.0 В
В.П. Попов, М.А. Ильницкий, в печати (2010)
Vg=0В Vg=1.0В Vg=1.5В Vg=2.0В
В.П. Попов, М.А. Ильницкий, в печати (2010)
MG МОП транзистор в режиме инверсии и аккумуляции
Расчёт подвижности выполнялся по формуле: 0 = 740 см2В-1с-1
eff=I(Vg)·L/(W ·Cox·Vd·(Vg-Vt)), bulk= 750 см2В-1с-1 0 = 1300 см2В-1с-1
где I(Vg) и Vt - из затворной характеристики. 0 = 1100 см2В-1с-1
L = 20 ÷160 nm
A (slope) = 1,081214379138263e+00 +/- 1,402039532956375e-02
A (slope) = 6,093129948980271e-01 +/- 3,502027008710990e-03000000
1
416
1
2
1
A
L
A
00 = 315 см2В-1с-1
00 = 354 см2В-1с-1
00 = 345 см2В-1с-1
1. Введение. МОП транзисторы с длиной канала 10 нм
2. Модель неоднородного канала
3. Квазибаллистический транспорт
4. Подвижность носителей вблизи барьера
5. Перспективные МОП транзисторы
6. Заключение
Содержание Содержание
43
Source Drain
L
EnergyF
lux o
f ca
rrie
r
(In quasi equilibrium)
Virtual Source
Channel
Gate(In quasi equilibrium)
Vd
Рассеяние
L
1Id Длинный канал:
ТРАНСПОРТ, ЛИМИТИРУЕМЫЙ
РАССЕЯНИЕМ В КАНАЛЕ
Когда L 0, Id + ?
Транспорт в длинном канале
• Нет : (в диффузионно-дрейфовой модели) скорость не может быть более vsat
sation vQ WI
• Скорость насыщения используется когда L >> (имеется рассеяние)
Квазибаллистический транспорт
44
Basics of Ballistic transport
Транспорт в баллистическом режиме
Характеристики не связаны с транспортом в канале, а только с инжекцией из истока
Source Drain
L
Energy
Flu
x o
f ca
rrie
r
(In quasi equilibrium)
Virtual Source
Channel
Gate(In quasi equilibrium)
Vd
injiBAL d vQ WI
ТРАНСПОРТ, ЛИМИТИРУЕМЫЙ
ИНЖЕКЦИЕЙ ИЗ ИСТОКА
не зависит от L
M. Lundstrom.; Z. Ren, ―Essential physics of carrier transport in nanoscale MOSFETs‖,
IEEE Trans. Elec. Dev., Volume 49, No 1, p 133 – 141, January 2002
Квазибаллистический транспорт
45
1 10 100 1000 10000Channel Length (nm)
Dra
in C
urr
en
t (a
.u)
Drift Diffusion
including Vsat
L independent
Ballistic limitL independent
Drift Diffusion
1/L
Фактор баллистического усиления
Mean Free
Path
Эффект баллистического усиления тока
• Баллистический предел (не зависит от L) :
injion vQ WI
• Фактор баллистического усиления:
sat
inj
v
v BEF
• Необходимо увеличение Vinj
injV
Lτ
M. Lundstrom.; Z. Ren, ―Essential physics of carrier transport in nanoscale MOSFETs‖,
IEEE Trans. Elec. Dev., Volume 49, No 1, p 133 – 141, January 2002
Квазибаллистический транспорт
Проблема 2 :
46
0.0 0.2 0.4 0.6 0.81
2
Inje
ction
ve
locity
(10
5m
/s)
Gate Voltage Vg (V)
tsi = 3 nm
tsi = 6 nm
MC simulation
Natori
Скорость инжекции в модели Натори
Аппроксимация Натори :
• Заряд на входе в канал определяется только затвором
т.е. в идеальном транзисторе нет DIBL.
Сравнение с расчетами методом MC (L ~ 4 tsi)
K. Natori, ― Ballistic metal oxide semiconductor field effect transistor ‖
Journal of Applied Physics, vol. 76 p. 4879 - 4890 (1994).
Квазибаллистический транспорт
P Palestri , L Lucci , S Dei Tos , D Esseni, L Selmi. Semicond. Sci. Technol. 25, 055011 (2010)
0.1
0.3
0.5
0.7
0.9
Channel length (nm)10 1001
Balli
stic R
atio I
scat/I
bal Undoped DG
tsi = 6 nm
EOT = 5 Åuniversal
L independent µ
L dependent µ
Cros IEDM 2006
(neutral defects ?)
47
sat
inj
HF
HF
v
v
r1
r1 BEF
λkT
kT
HFr
Предполагаемая зависимость rLF:
rHF = Коэффициент ОР в высоких полях
M. Lundstrom Z. Ren, IEEE TED 49 p.133 (2002)
эмпирика
L
LrLF
Концепция коэффициента обратного рассеяния r :
Теория коэффициента обратного рассеяния r была подтверждена в :
R. Clerc, P. Palestri, L. Selmi, IEEE TED 53, p 1634 – 1640 (2006)
µth
0qv
kT 2
Роль рассеяния
Квазибаллистический транспорт
rs = rd = r
48
100 200 300 400 500
0
10
20
0
MC low field mobility (cm2V-1s-1)
Extr
acte
d
Dev (n
m)
DG 10 nm
DG 4 nmBulk
Strained Bulk
µth
0qv
kT 2
2
λλ 0
DevkT
kTMCr
Экстраполяция расчетов методом МС
rHF действительно функция ℓkT
λkT
kT
HFr ?? ??
пропорциональна µ
µth
0qv
kT 2
P. Palestri, R. Clerc, D. Esseni, L. Lucci, L. Selmi
« Multi Subband Monte Carlo investigation of the mean free path and of the kT layer
in degenerated quasi ballistic MOSFETs » IEDM 2006
Квазибаллистический транспорт
kT
o
ort
)1(
1
00
211)(
l
qv
kT
LVVVC
L
WI
TH
thgDSoxDS
)(1
20
00
xEq
kTT
qb
J-H. Rhew and M. S. Lundstrom,
J. Appl. Phys., vol. 92, no. 9, pp. 5196-5202, Nov. 2002
r
rVVCWI TTGSoxDS
1
1
DSqV
kTL
L
A
L
l
L
l
L
lL
qbqbeff
0000
1111111
t
o
q
kT
20
~
Подвижность носителей вблизи барьера
V.P. Popov. ―Quasiballistic Transport of Charge Carriers in
Nanometer FETs in the Model of Heterogeneous Channel‖.
ECS Transactions, 25 (7) 411-417 (2009).
10 100 1000 100000
1x102
2x102
3x102
4x102
Mo
bili
ty, cm
2/ V
s
Gate length, nm
SOI
sSOI
bulk Si
bulk sSi
S.Cristoloveanu, J.Appl.Phys. 2007
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
0,002
0,004
0,006
0,008
0,010
0,012
0,014
0 = 250
0 = 460 cm
2/ Vs
1/
, Vs
/ cm
2
1 / L , nm-1
0 = 415
SOI
sSOI
bulk SI
bulk sSi0 = 150
1
00
211)(
l
qv
kT
LVVVC
L
WI
TH
thgDSoxDS
1. Все наклоны 1/μ одинаковы, кроме Si и μqb = 52 cm2/(V·s). Для сSi μ0 = 460 cm2/(V·s) и L = 50 nm (Si) критическая ширина барьера l = 25 nm, что даёт μqb = 52 cm2/(V·s) и l/0 = 3.
2. Только для bulk Si μqb = 102 cm2/(V·s), тогда как для КНИ μqb = 52 cm2/(V·s).
3. Для кремния (bulk Si) отношение l/0 = 4, что связано с удлиненным легированием истока (SJE) и большим рассеянием в конце истока.
4. Для JLFET μqb = 315 cm2/(V·s).
Подвижность носителей вблизи барьера
V.P. Popov. ―Quasiballistic Transport of Charge Carriers in
Nanometer FETs in the Model of Heterogeneous Channel‖.
ECS Transactions, 25 (7) 411-417 (2009).
• Уменьшение μeff с L не даѐт возможности применятьпринцип масштабирования Деннарда для кремниевыхнанотранзисторов. Причина деградации подвижности –полевая зависимость μo(Е) и дополнительное рассеяние.
• Линейная зависимость 1/μeff от 1/L позволяет не толькоопределить μo(Е), но и оценить подвижность μqb вобласти барьера, необходимую для оптимизациитехнологии изготовления нанотранзисторов.
• Физически эквивалентная модель неоднородного каналаМОПТ определяет длину свободного пробега носителей0 из экспериментальной зависимости тока стока отдлины канала.
• Согласно экспериментальным данным кремниевыенанотранзисторы работают в квазибаллистическомрежиме (T<50%) даже при длине затвора менее 20 nm.
Подвижность носителей вблизи барьера
1. Введение. КМОП транзисторы с длиной затвора 10 нм
2. Модель неоднородного канала
3. Квазибаллистический транспорт
4. Подвижность носителей вблизи барьера
5. Перспективные МОП транзисторы
6. Заключение
Содержание Содержание
53
)u(F
)u(F2VV
i0
i2/1i0 inj
iinj
iT
i0 inj
m
Tk 2V
T k
EEu iF
i
Скорость инжекции для одной подзоны:
0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.61
2
3
4
5
)0y(V y
EF – E0 (eV)
Inje
ction
Ve
locity (1
05
m/s
)
0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.60
0.1
0.2
0.3
kT
//
2//
2
m 2
k
EF – E0 (eV)
Ave
rage
kin
etic e
ne
rgy (
eV
)
EF – E0 (eV)
Inje
ction
Ve
locity (1
05
m/s
)
0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6
2
3
4
5
1
Vinj 0
Vinj
Vinj 1
Одна подзона Две подзоны
• уменьшение mT
• увеличение EF - E0
• уменьшение числа подзон
Роль плотности состояний (DOS) в увеличении скорости инжекции
Уменьшение плотностисостояний для 2D газа
Квазибаллистический транспорт
54V.P. Popov, I.V. Antonova, V.F. Stas et al., J. Mater. Sci. Eng. B, 73, 82 (2000)
-60 -40 -20 0 20 40 6010
-2
10-1
100
101
102
103
104
p-type SOI films
Na = 2x10
18cm
-3
dSi:
40 nm
10 nm
3 nm
ID, nA
VG, V
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
10-14
10-13
10-12
10-11
10-10
10-9
Poisson
Poisson\Shrodinger
Sh
ee
t
co
nd
uc
ti
vi
ty
(
S)
Inner boundary potential fS, V
мэВ8,192 2
2
Sil
dm
hE
l
мэВ5,23
2 2*
Л
22
Si
Лdm
hE
Эксперимент и расчет плотности состояний (DOS) плёнки Si в однодолинном приближении
Квантовые поправки проводимость 3 нм канала на 1-2 порядка
Проводимость 3 нм пленок Si в КНИ: измерения ВАХ точечно-контактного псевдо МОП-транзистора и расчет DOS в ОДП
55V.P. Popov, I.V. Antonova, V.F. Stas et al., J. Mater. Sci. Eng. B, 73, 82 (2000)
-60 -40 -20 0 20 40 6010
-2
10-1
100
101
102
103
104
p-type SOI films
Na = 2x10
18cm
-3
dSi:
40 nm
10 nm
3 nm
ID, nA
VG, V
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
10-14
10-13
10-12
10-11
10-10
10-9
Poisson
Poisson\Shrodinger
Sh
ee
t
co
nd
uc
ti
vi
ty
(
S)
Inner boundary potential fS, V
мэВ8,192 2
2
Sil
dm
hE
l
мэВ5,23
2 2*
Л
22
Si
Лdm
hE
Проводимость 3 нм пленок Si в КНИ: измерения ВАХ точечно-контактного псевдо МОП-транзистора и расчет DOS в ОДП
SchrÖdinger
(1D, ЕМА)
Эксперимент и расчет плотности состояний (DOS) плёнки Si в однодолинном приближении
Квантовые поправки проводимость 3 нм канала на 1-2 порядка
56
8 10 12 14 16 18 20 22 24 261.4
1.6
1.8
2.0
2.2
+7%
+ 40%
+15%
Channel length (nm)
DG
DG + strain
SG + strain
SG
Inje
ction
ve
locity
(10
5m
/s)
1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9
2
3
4
5
61.5
3
610
10 6 31.5
tsi (nm) =
Fully Ballistic
Quasi Ballistic r =0.4
Dra
in C
urr
en
t I D
G/2
(10
3µ
A/µ
m)
Injection Velocity (105 m/s)
Как уменьшить DOS в Si MOSFET ?
M. Ferrier, R. Clerc, L. Lucci, Q. Rafhay, G. Pananakakis, G. Ghibaudo, F. Boeuf, T. Skotnicki.
« Conventional Technological Boosters for Injection Velocity in Ultra Thin Body MOSFETs »
IEEE Transaction On Nanotechnology, vol. 6, issue 6, pp. 613-621 (2007).
• уменьшением толщины кремния? Не эффективно
• биаксильными напряжениями (+ 40 %)
• несущественное увеличение Q. Capa
Квазибаллистический транспорт
Проблема 2 :
57
Напряженный кремний: двойной выигрыш
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Bulk DG 12
Inje
ctio
n V
elo
city 1
07cm
/s
Analytical ModelMulti Subband
Monte Carlo Simulations
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Bulk DG 12
Back S
catt
ering r
th
effeff
kT
kT
v
kT/e )E(µ 2
L
Lr
Ph. Acoustic
Ph. Optical
Surf. Roughness
Tsi Fluctuation
D. Ponton et.al. Proc. ESSDERC 2006 p. 166
Квазибаллистический транспорт
58
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
1 10 100 1000 10000
Bulk
Undoped ET SOI
Strained
Undoped ET SOI
I on
Curr
en
t (µ
A/µ
m)
Channel Length (nm)
DD
vsat=105 m/s
BULK
µ = 130 cm2V-1s-1
Vinj = 1.2 105 m/s
Ninv = 1.451013 cm-2
Undoped ETSOI
µ = 200 cm2V-1s-1
Vinj = 1.2 105 m/s
Ninv = 1.451013 cm-2
Strained Undoped ETSOI
µ = 370 cm2V-1s-1
Vinj = 1.3 105 m/s
Ninv = 1.451013 cm-2
Две возможные стратегии Ion :
2. увеличение Vinj
(инженерия подзон)уменьшением DOS
1. рост , что значит рост = подвижность в конце истока
как в диффузионно-дрейфовой модели !
Методы увеличения тока
До сих пор нет надежного эксперимента !
Квазибаллистический транспорт
59
sat
inj
HF
HF
v
v
r1
r1 BEF
Квази-баллистический перенос заряда может увеличить ток стока наноразмерных МОПТ
(L mfp )
Увеличение скорости:увеличение длинноканальной низкополевой подвижности
увеличение скорости инжекции снижением DOSнапример,
напряженный кремний
Альтернативные материалы должны минимизировать:• Вклад квантовой ѐмкости;• Снижение подвижности в квантово-размерных каналах;• Утечки и особенно туннелирование исток-сток (SDT).
Моделирование должнокорректно учитывать туннельные токи (B2BT, SDT)
Экспериментальные данные необходимыособенно для короткоканальных МОПТ
на ультратонком кремнии (~3 нм).
Опять лучший выбор,напряженный кремний !!
Проблемы перспективных МОП транзисторов
Проблемы : Решения :
Сверхтонкий КНИ(ET SOI)
(112)
InSb(111)
InSb
[119]
Si
(111)
Si Ge or SiGe nanodots at Si/BOX
Формирование наноточек InSb и Ge в КНИ при 1100oC 2h
A3B5 и Ge
канальные
комплементарные
полевые
транзисторы с
high-k
диэлектриком на
КНИ для
терагерцовых
частот
интегральных
схем
V. Popov In "Nanoscaled Semicond.-on-Insulator Structures and Devices", S Hall et al. (eds), Springer, pp.59-72, 2007
US DARPA's Compound Semiconductor Materials on Silicon, or COSMOS program
Перспективные МОП транзисторы
Gtot = Gvol + Gint < 0 для эндотаксии слоя Ge:
Условия для эпитаксиального роста без SK моды:
erfaceintsubstratefilm
Индуцированная межфазная эндотаксия Ge:
Si
SiO2
Ge
SG = 1.10 Jm-2
SO = 1.44 Jm-2 GO* ~ 0.8 Jm-2
SG SO– GO не выполнено
2
int 4.0 mJGG GOSOSGvol
для Gtot < 0 требуется или плавление или, релаксация
упругой энергии / пересыщения Ge в процессе эндотаксии
- MBE Si:B at 700oC
- MBE Si:B at 800oC
* - MBE Ge QW at 400oC
Эндотаксия Ge при 1000oC c:
Эндотаксия термостойких слоѐв SiGe с высокой подвижностью дырок
* eff is taken for MBE grown QW Ge from T. UEHARA et al. Jpn. J. Appl. Phys., 46, 2117 (2007)
Подвижность дырок в 25 нм слое SiGe
8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 11,0 11,5 12,0
1
10
Ge in e
pilayer,
x10 -1
5 c
m -
2
1/kT, eV -1
Ge in Epilayer
Linear Fit
G = 0.34 0.05 eV
Si
BOX
3 nm
Ge
1/kTm
Индуцированный рост (G << Gtot ) слоя Ge без зависимости G от температуры (плавление германия при Tm) в интервале 700 - 1100oC
-120 -80 -40 0 40 80 120
1,0x10-5
2,0x10-5
3,0x10-5
Tp15,1
L/W=5/25
Wafer number:
5
2 /GeI ds, A
Vg, V
Рост подвижности дырок на 20% и уменьшение подвижности электронов (-20%) в напряженном слое Ge c высоким легированием (1018 cm-3) в комплементарных(n- и p-типа) МОП транзисторах на дне КНИ структуры с толстым слоем кремния.
КНИ SiGe КМОП транзисторы с 1.3 nm пленкой Ge на Si/BOX
Ge
I. E.Tyschenko, V. P. Popov, A.G. Cherkov, M. Voelskow. ECS Trans. 3, (7) pp.303-307, 2006
Source Gate Drain
63
Увеличение доли баллистического тока
заменой материала канала
• рост , а значит рост • рост Vinj уменьшением DOS
Bulk Mobility
at room temperature
Eff. Masses
Si
ml = 0.98
mt = 0.19
µ = 1500 cm2 V-1 s-1
Ge
ml = 1.64
mt = 0.082
µ = 3900 cm2 V-1 s-1
InAs
m = 0.023
µ = 40000 cm2 V-1 s-1
Electrons
Однако, не всѐ так просто !
Перспективные МОП транзисторы
64
Проблема 3 : Высокая подвижность в полупроводнике
не означает таковую в транзисторе
Например : MC моделирование электронной подвижности в Ge (100)
MATERIAL DEVICE
SSDM 2007
« Mobility and Backscattering in Germanium n-type Inversion Layers »
Q. Rafhay, P. Palestri, D. Esseni, R. Clerc, L. Selmi
100 1000 10000
106
107
Measurement [Jacoboni]
Bulk simulation
Mode Space Approach
Ve
loc
ity
(c
m/s
)
Lateral Field (V/cm)
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
400
800
1200
1600
Eff
ective
Mo
bili
ty (
cm
².V
-1.s
-1)
Effective Field (MV/cm)
Si 2.6
Ge
Si
Перспективные МОП транзисторы
D.-H. Kim, J. A.del Alamo. ECS Transactions, 28 (5) 203-206 (2010)
III-Vs: Battle already lost in 1991 (DOS bottleneck)…
why bother again?
M. Fischetti. October 2, 2009
Реальные результаты
Проблема 3 :
Перспективные МОП транзисторы
InxGa1-xAs
x=0.9X=0.7
X=0.5
P. D. Ye, et al. ECS Transactions, 28 (2) 51-68 (2010)
Перспективные МОП транзисторы
Проблема 3 :
67
tGaAs=5nm, ориентация <110>
Gate voltage (V)0 1 2 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
L2
L2'
Rela
tive o
ccupancy
G
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
1
2
3
4
5
6
Inje
ction v
elo
city x
10
5m
/sGate Voltage (V)
L’2L2
G
Global Vinj
Квантово-размерная заселенность
подзон с малой изотропной массой
Q. Rafhay, R. Clerc, M. Bescond, M. Ferrier, G. Ghibaudo
«Impact of Channel Orientation on Ballistic Current of nDGFETs with Alternative Channel Materials »
Solid-State Electronics, Volume 52, Issue 4, pp. 540-547 (2008).
Проблема 3 :
Перспективные МОП транзисторы
68
G
GAP
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
400
800
1200
1600
2000
2400
Eff
ec
tiv
e M
ob
ilit
y (
cm
².V
-1.s
-1)
Effective Field (MV/cm)
0.3 0.6 0.9 1.2 1.5
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Re
lati
ve
va
lle
y o
cc
up
an
cy
Effective field
Λ
Δ
Λ
Δ
Квантово-размерный эффектусиливает заселенностьподзоны с фононно-
ограниченной подвижностью
Перспективные МОП транзисторы
SSDM 2007
« Mobility and Backscattering in Germanium n-type Inversion Layers »
Q. Rafhay, P. Palestri, D. Esseni, R. Clerc, L. Selmi
69
Проблема 4 : Ориентации подложки и оптимальных
каналов для разных материалов разные
1 2 3 4 5 6 71,0
1,1
1,2
1,3
1,4
Cu
rre
nt
on
(1
10
) /
Cu
rre
nt
on
(1
00
)
Semiconductor film thickness (nm)
GeInSb
InAs
GaAs
Ninv
= 1013
cm-2
Ioff
= 1nA/µm
T. Low et al, IEDM 2003 : Ge best on (110)/[110]A. Pethe et al, IEDM 2005 : Carriers in III-V moves from Γ to L
(110)/[110] оптимальное направление для баллистического транспорта вGe – GaAs – InAs и InSb DGFETs
Q. Rafhay, R. Clerc, M. Bescond, M. Ferrier, G. Ghibaudo
«Impact of Channel Orientation on Ballistic Current of nDGFETs with Alternative Channel Materials »
Solid-State Electronics, Volume 52, Issue 4, pp. 540-547 (2008).
Перспективные МОП транзисторы
70
Квантовая ѐмкость (Q. Capa) и плотность состояний (DOS)
M. De Michielis, D. Esseni, F. Driussi,
―Analytical Models for the Insight Into the Use of
Alternative Channel Materials in Ballistic nano-MOSFETs‖
IEEE Trans. Elec. Dev., p. 155-122, 2007
• Уменьшение DOS ведёт к уменьшению Q. Capa (Dark Space effect enhancement)
• Квантовый предел (= 1 при одной вырожденной подзоне)
)V(V CC 2
CC 2Q Tg
qox
qox
i
с2
T2
π
m 2
qCq
DG :
Dark Space = 2.7 Å
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
2
4
6
8
10
Transverse Eff. Mass mt
Inje
ctio
n v
elo
city (
10
5m
/s)
EOT = 5 Å
Vdd = 0.8 V
Quantum Limitw. Q. Capa
w.o. Q. Capa
vth
Проблема 5 :
Перспективные МОП транзисторы
71
Si уже обеспечивает оптимальный выбор !!
Ion - Ioff оптимизация по массе носителей
• Ioff постоянна и равна 0.1 µA/µm (выбор VFB)
w. Q. Capa
w.o. Q. Capa
Transverse Eff. Mass mt
L = 9 nm
EOT = 5 Å
Vdd = 0.8 V
22 nm node
Ion
cu
rre
nt (a
.u.)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
w.o. Q. Capa
w. Q. Capa
Si
Transverse Eff. Mass mt
L = 6 nm
EOT = 5 Å
Vdd = 0.8 V
16 nm node
Ion
cu
rre
nt (a
.u)
Si
Impact of source-to-drain tunnelling on the scalability of arbitrary oriented alternative channel material
nMOSFETs. Solid-State Electronics, Volume 52, Issue 10, October 2008, Pages 1474-1481
Перспективные МОП транзисторы
www.nanohub.org M. Lundstrom et al. IEEE Trans. on Elect. Dev., 55, 1286, 2008M.Shin, IEEE Transactions On Nanotechnology 6, 230 (2007)
Переключение тока (on-off) в двухзатворном (DG) и нанопроволочном (SNW) транзисторах
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,01E-11
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
nMOSFET DoubleGate
Gate 4.6eV
Gate Oxide 1nm
Base P1e16cm-3
Source&Drain P1e20cm-3
Vg:
Vg=1.0V
Vg=0.8V
Vg=0.6V
Vg=0
Channel lxt(nm):
30x10
20x10
10x10
I d,
A/m
km
Vd, V
O.V. Naumova, M.A. Ilnitsky, L.N. Safronov, V.P. Popov. Semicond., v. 41, p.103-109, 2007
73
Thermoionic Currentincluding SCE & DIBL
Source to Drain Tunneling (SDT)
Band to Band Tunneling (B2BT)
CB
VB
EFS
EFD
Проблема 6 : Токи утечки в альтернативных материалах
A serious hindrance […] is the lack of an adequate quantitative model for interbandtunneling in indirect materials like Si and Ge. Most of the available expressions contain
adjustable parameters for the electron– phonon coupling constant […] . Their quantitative
accuracy is open to question […] S. Luryi et al. SSE 51 p212 (2007)
Перспективные МОП транзисторы
1 0.5 0 0.5 1 1.510 1810 1710 1610 1510 1410 1310 1210 1110 10
10 910 810 710 610 510 410 3
0.010.1
110
100103104105
ideal slope
Gate Voltage (V)
L = 6 nm
EOT = 5 Å
Vdd = 0.8 V
VT 0.2 V
Dra
in c
urr
en
t (µ
A/µ
m)
mt
1. Введение. КМОП транзисторы с длиной затвора 10 нм
2. Модель неоднородного канала
3. Квазибаллистический транспорт
4. Подвижность носителей вблизи барьера
5. Перспективные МОП транзисторы
6. Заключение
Содержание Содержание
Как преодолеть
предел kT/q?
Перспективные МОП транзисторы
Leo Esaki
Nobel Prize for Physics 1973
ID ~ (VDD-VTH)
При очень низких VDD
необходимо как можно меньшее VTH
но
Подпороговый наклон ~ kT/qIoff растет
экспоненциально с уменьшением VTH.
Нужны транзисторы с эффективнымтунелированием
EC
OFF state
electron
EV
Tunneling is not allowed.
ECON state
electron
EV
Tunneling is allowed.
TEOSGate
P+
Source
LG toxSOI
N+ Drain
BOX
КНИ ТМОПТ:
Energy-band
Diagrams:
P+ SourceN+ Drain i-Si
Gate
• Прибор подобен обратно-смещенному диоду с управляемым затвором
• Положительное VG индуцируетэлектронный канал
• Изгиб зон создает тунельныйканал у истока band-to-band tunneling (B2BT)
• B2BT отличаются низким током насыщения (5 – 10 %)
Нужны транзисторы с эффективным тунелированием W. Y. Choi et al. IEEE-EDL vol. 28, pp. 743-745, 2007
Базовая B2BT
конструкция
W. M. Reddick and G. A. J. Amaratunga, ―Silicon surface tunnel transistor,‖ Appl.Phys.Lett., 67, 494 (1995)
Перспективные МОП транзисторы
77
B2BТ МОПT с альтернативным затвором
C.Anghel et al., Tunnel FET with increased ON current, low-k spacer and high-k dielectric. Appl. Phys. Lett. 96, 122104 (2010)
Перспективные МОП транзисторы
Главная проблема ТМОПТ – высокий порог Vth и высокое сопротивление при низких VD.
78
B2BТ МОПT с альтернативным истоком
Terry Ma et al. Synopsis TCAD News, June 2009
Перспективные МОП транзисторы
Главная проблема ТМОПТ – высокий порог Vth и высокое сопротивление при низких VD.
79
Лавинный беспереходный (junctionless) МОПT
J.-P. Colinge et al. Appl. Phys. Lett. 96, 102106, March 2010
Перспективные МОП транзисторы
J.-P. Colinge et al. Nature Nanaotech. 5, 225, March 2010
Проблема 7 :
Главная проблема ЛБМОПТ – высокое напряжение VDS >2 В (Ge – лавина при VDS. ~ 1 В )
80
Лавинный беспереходный (junctionless) МОПT
J.-P. Colinge et al. Appl. Phys. Lett. 96, 102106, March 2010
Перспективные МОП транзисторы
J.-P. Colinge et al. Nature Nanaotech. 5, 225, March 2010
Доля баллистических носителей в токе?
S. Eminente, D. Esseni, P. Palestri, C. Fiegna, L. Selmi, E. Sangiorgi
― Understanding Quasi-Ballistic Transport in Nano-MOSFETs:
Part II – Technology Scaling Along the ITRS‖,
IEEE Transactions on Electron Devices, 52 p. 2736 - 2743 (2005).
Моделированием MC показано, что в Si MOSFET транспорт не является
баллистическим
Мечта о баллистическом транспоте разбивается дальнодействующим кулоновским рассеянием
Проблема 8 :
Дополнительное (динамическое) рассеяние ?
Перспективные МОП транзисторы
M. Fischetti. SiNANO, October 2, 2009
K. A. Jenkins, Y.-M. Lin, D. Farmer, et al. Graphene RF Transistor
Performance. ECS Transactions, 28 (5) 3-13 (2010)E. Sano and T. Otsuji. Performance Prediction of
Graphene-Channel Field-Effect Transistors.
Jpn. J. Appl. Phys., vol. 48, pp. 011604/3 (2009)
Будущее «пост-кремниевой» КМОП технологии
Реальные результаты
K. A. Jenkins, Y.-M. Lin, D. Farmer, et al. Graphene RF Transistor
Performance. ECS Transactions, 28 (5) 3-13 (2010)
Frank Schwierz. Graphene Transistors.
Nature Nanotechnology Published online: 30 May 2010
FET A (660 GHz) is a GaAs metamorphic HEMT (mHEMT) with a 20-nm gate (M. Schlechtweg, private). FET B (485 GHz) is a Si MOSFET with a 29-nm gate. FET C (152 GHz) is a GaAs pseudomorphic HEMT (pHEMT) with a 100-nm gate. CNT FET (80 GHz) with L = 300 nm.Graphene MOSFET (100 GHz) with L = 240 nm.
Будущее «пост-кремниевой» КМОП технологии
Реальные результаты
Intel high-k 32 nm technology with drive currents of 1550 µA/ µm at
100 nA off-current for the NMOS transistor, and 1210 µA/µm for the
PMOS transistorIEDM 2008: high-k SiNWT with 10 nm
H. Iwai 4th Int. Symp. on Adv. Gate Stack Technol., 2007
Intel high-k 32 nm technology
Sanjay Natarajan et al. IEDM 2008S. Deleonibus et al. 31.2 IEDM 2008
Перспективные МОП транзисторы
"The best way to predict the future is to invent it."— Alan Kay
Нанопроволочный сенсор на основе структур кремний на изоляторе (КНИ-нанопроволочный транзистор)
Ширина проволоки должна быть сопоставима с размером тестируемой частицы
Толщина проволоки 10-15 нм достаточна для обеспечения чувствительности к единичному заряду на поверхности (расчет)
Принцип действия – модуляция проводимости нанопроволоки при адсорбции частицы на поверхность
природа частицы
размер
Момент адсорбции
Концентрация носителей заряда в сечении нанопроволоки с единичным зарядом на поверхности. ND =1016 cm-3
ΔG =eμ∫0R 2πrΔndr= eμπ R2n{exp(-eΔS/kBT)-1}
O.V.Naumova et al. Semicond. Scie. Technol. 25, 055004 (2010)
нанопроволоки(Сharles Lieber et al.)
нанослои КНИ + ЭЛ + ПХТ(ИФП СО РАН)
b4. электронная литография (ЭЛ)
и плазмо-химическое травление (ПХТ)86
Нанотехнологии: «Снизу-Вверх» и «Сверху-Вниз»
87
Nanowire width: (40 15) nm Nanowire height: (2 0 10) nm
ΔG = eμ∫0R 2πr Δn dr = eμπ R2n{exp(-eΔS/kBT) - 1}
O.V. Naumova et al. Semicond. Sci. Technol. 25 055004 (2010)
Перспективные применения
Diminishing of the nanowire width doesn’t lead to the mobility degradation
ΔG = eμ∫0R 2πr Δn dr = eμπ R2n{exp(-eΔS/kBT) - 1}
O.V.Naumova, V.P.Popov, A.L.Aseev, Y.D.Ivanov, A.I.Archakov et al. Int. Conf. EuroSOI-2009 Proc., p.69-70.
100 200 300 400 500
0,0
2,0x10-7
4,0x10-7
6,0x10-7
8,0x10-7
1,0x10-6
1,2x10-6
1,4x10-6
Vds
=0.15 V
Vbg
=50 V
I ds, A
WNW
, nm
PBS
Air
SOI DeleCut (ISP) wafers:20 nm top n-Si layer400 nm buried oxide
1012
1013
200
300
400
WNW
, nm:
- 50
- 100
- 200
- 300
Ele
ctr
on
Mo
bili
ty (
cm
2V
-1s
-1)
Ne(cm
-2)
Перспективные применения
[M]=[mol/L] N=C·NA
2x10-15 M - > N=2x10-15x6x1023 ~ 1000 ат.Cl- [мкЛ-1]
Реальный масштаб времени
Стабильность сигнала
Высокая чувствительность
ΔG = eμ∫0R 2πr Δn dr = eμπ R2n{exp(-eΔSi/kBT) - 1}
89
Перспективные применения
Бычий сывороточный альбумин (БСA)
5 mM PBS (KH2PO4), pH 7.4
15 nm Si
Сток-истоковые Ids-Vds и сток-затворные Ids-Vg характеристики до и
после иммобилизации молекул БСА
Предел чувствительности: CBSA=10-17 M - > N~10-3 ng/ml - > N ~ 6 [BSA/мкЛ]
10-17
10-16
10-15
10-14
10-13
1011
1012
40 60 80 100 120 140
10-8
10-7
CBSA
, (M)
- 0
- 10 -15
- 10 -14
- 10 -13
Ids
(A)
Vg (Volt)
Q
(c
m-2)
CBSA
(M)
90
Blue- positive charge (основания)Red - negative charge (кислоты) Yellow - neutral ones (нейтралы)
d~5 nm, MW~66 kDa~10-19g
91
AFP 0,35*10-11
AFP 0,35*10-12
AFP 0,35*10-14
KP
KP buffer solution
KP
Vg=40B
Ids-SOURCE-DRAIN
CURRENT
anti-AFPim
anti-AFPim
anti-AFPim
CONCENTRATION SENSITIVITY OF NANOWIRE BIOSENSOR FOR α-FETAPROTEIN DETECTION
(anti-AFPim - NANOWIRE DETECTOR: W=150nm, H=32nm, L=10µm )
Перспективные применения
CONCENTRATION SENSITIVITY OF NANOWIRE BIOSENSOR FOR HBsAg DETECTION
(NE3im - NANOWIRE DETECTOR: W=300nm, H=32nm, L=10µm )1,00E-03
Ids,A
Vg=40BIds-SOURCE-DRAIN CURRENTNE3 – anti HBSHBSAg-SURFACE ANTIGEN OF HEPATITIS B VIRUS
TIME,S
HBSAg 0.7*10-14M
HBSAg 0.7*10-13M
HBSAg 0.7*10-12M
HBSAg 0.7*10-11M
KP
KP
KP
KP
92
Перспективные применения
[1] APL 92 Appl.Biophys. (2008) N.Wang at al.
[2] Sensors and Actuators B: Chemical, 133 , 593 (2008) Yu Chen et al.
[3] Nanotechnology 17, 276 (2006) Kun Yang et al.
[4] APL 87, 183106 (2005);M-W Shao et al.
[5] Anal. Chem. 4259 (2006) Patolsky et al.
[6] ECS Trans. 25, 83 (2009) O.V.Naumova et al.
[7] Nature, 445:519-522 (2007) Stern at.al.
Пределы детектирования кремниевыми нанопроволоками93
1 2 3 4 5 6 710-18
10-16
10-14
10-12
10-10
10-8
10-6
10-4
10-2
Cl-
HB
SA
g -
an
tig
en o
f
he
pa
titis B
vir
us
BS
A
DN
A/p
eptide n
ucle
ic
acid
glu
tath
ione
/Au n
anopart
.
our dataclu
cosa
/oxid
asa
BS
A/A
u n
anopart
icle
s
ure
a/e
nzym
e u
rease
str
epta
vid
in/b
iotin
C (
mo
l/L
)Перспективные применения
А - антитела к альфа-фетапротеину;
В - антитела к альфа-фетапротеину
С - контрольная без белка;
D - антитела к HBsAg
E - антитела к HBsAg
F - антитела к тропонину
(маркер инфаркта миокарда)
A B
D E
C
F
Nokia – Morph mobile phone
Soft cup sweat collector
Будущее: лаборатории-в-корпусе в «реальном времени»
Во
сста
но
вле
ни
е
по
ле
/наг
ре
в/б
уфе
р
Измерение антиген/антитело
Human Proteome Project
Human Plasma Proteome has 10 orders of magnitude difference for proteins. Only 102 major types are analyzed. There are other 5x106 types.
www.ibmc.msc.ru Road Map “Russian Human Proteome Project”, 2010
E Bielejec et al Nanotechnology 21 085201 (2010)
LE Sb+ ions
would have an
end of range
straggle of
<2.5 nm, but …
25 mK is an
operation
temperature
Перспективные применения
P. T. Greenland et al. Nature 465 1057 (2010)
...in isotopically pure FZ-silicon T2 must be
greater than ~320 ps… The exploitation
of coherent effects in single impurities will
depend on the development of electrical
techniques for read-out.
Перспективные применения
Результаты и перспективы развития кремниевых МОП транзисторов
• - Параметры 10 нм КНИ нанотранзисторов соответствуют требованиям ITRS для
многопроцессорных КМОП СБИС, содержащих до 10 млрд. транзисторов на кристалл, а
также сенсоров заряда, молекул и биочастиц.
• - Имеющийся научно-технический задел в кремниевой КМОП технологии позволяет
прогнозировать масштабированное уменьшение длины затвора от 40 нм до 6-5 нм в
течение ближайших 15-20 лет.
• - Для уменьшения размеров затвора транзисторов менее 5 нм потребуется изменение
конструкции и / или переход к туннельным МОП транзисторам. Дальнейший прогресс
бинарной (цифровой) логики будет основан не на принципах переноса заряда или спина.
• - Свойства новых материалов (графена, п/п гетероструктур, квантовых точек,
молекулярных ключей) для приборов с переносом заряда в логических элементах не
обеспечивают существенных преимуществ по отношению к кремниевым
нанотранзисторам.
Спасибо
за
внимание !