Kwantumapparaten: verder dan CMOS – tunneling, kwantumdots en spintronica benutten voor toekomstige elektronica

Sinds de jaren '60 heeft CMOS-technologie een voorspelbare schaaltraject gevolgd: gatelen zijn gekrompen van de micron-schaal naar de 65-nm knooppunten nu in productie, met 45-nm transistoren verwacht tot 2007. Op 65-nm beginnen lekkagestromen gedreven door kwantumtunneling te domineren, en op 45-nm is gesofisticeerde engineering vereist om deze lekkage te onderdrukken. De conventionele schaalgrens voor MOS-transistoren wordt verwacht te liggen tussen 20- en 30-nm, met sommige experts die 1- tot 2-nm aanvoeren als de uiteindelijke fysieke grens. Fotolithografie zal blijven verbeteren, doch sub-20-nm apparaten vereisen nieuwe actieve structuren die kwantummechanische effecten benutten, in plaats van ze te bestrijden.

Wanneer MOS-geometrieën de elektrons de Broglie-golflengte benaderen, wordt tunneling door de gate-oxide en het smalle kanaal significant. Deze kwantumlekdwangt de industrie om apparaten te verkennen die tunneling benutten voor prestaties en energie-efficiëntie. Belangrijke kandidaten omvatten resonant tunneling diodes (RTDs), dubbele-laag tunneling transistoren (Deltt), metal-isolator-isolator-metal (MIIM) diodes, kwantumdot transistoren en grafeen-gebaseerde apparaten. Spin-gebaseerde elektronica (spintronica) biedt ook een niet-dissipatieve alternatief voor lading-gecontroleerde logica.

Kwantumtunneling

Kwantumtunneling: Een electron gedraagt zich als een golf die door een isolerende barrière dunner dan zijn golflengte kan passeren, wat een transmissiekans inschakelt zelfs wanneer klassieke fysica reflectie voorspelt.

Klassiek moet een electron voldoende energie bezitten om een barrière te overwinnen; anders reflecteert het. Kwantummechanica toestaat een niet-nul kans om het electron aan de verzijde van een voldoende dunne barrière te vinden. De tunnelingskans neemt scherp toe naarmate de barrièredikte afneemt.

Tunneldiode

Tunneldiode: De Esaki tunneldiode is een vroege kwantumapparaat die steunt op een zwaar gedopt depletiegebied—ongeveer 1.000 keer het dopingsniveau van een standaard gelijkrichter—wat de barrière dun genoeg maakt voor tunneling wanneer correct gebiaiseerd.

Resonante Tunneling Diode (RTD)

RTD: Een RTD is een kwantumapparaat met twee tunnelbarrières gescheiden door een kwantumput. Elektronen doorlopen het apparaat wanneer de bronenergie uitgelijnd is met een gekwantiseerd niveau in de put, een conditie bekend als resonantie. De stroom stijgt naarmate de bias naar resonantie benadert, en daalt wanneer de energien weer mislopen, wat een natuurlijk aan/uit gedrag mogelijk maakt dat paren conventionele transistoren in logica cellen kan vervangen.

RTDs hebben oscillatiefrequenties tot 712 GHz gedemonstreerd. Hun aan/uit schakeling maakt ze aantrekkelijk voor het verminderen van componentenaantal, oppervlak en stroomverbruik vergeleken met traditionele CMOS schakelingen. [GEP] [ERB]

Dubbele-laag Tunneling Transistor (Deltt)

Deltt: De Deltt bestaat uit twee ultra-dunne geleidende putten (kwantumputten) gescheiden door een hoog-bandgap isolator zoals GaAlAs. Wanneer de gatesspanningen de energieniveaus van de twee putten uitlijnen, tunnelen elektronen door de barrière, wat het apparaat aanzet. Overmatige bias verstopt de niveaus, wat het uitschakelt. Het apparaat gedraagt zich als een complementair paar zonder afzonderlijke p- en n-type transistoren te vereisen, en werkt op een ~100 mV voeding.

Deltt prototypes hebben gefunctioneerd bij 4,2 K, 77 K en 0 °C; kamertemperatuur werking wordt verwacht. [GEP] [IGB] [PFS]

Metal-Isolator-Isolator-Metal (MIIM)

MIIM diode: Een kwantumtunneling apparaat dat twee isolerende lagen tussen metalelektroden gebruikt. De isolatoren moeten dunner zijn dan de elektrons de Broglie-golflengte. Onder voorwaartse bias vormt een kwantumput tussen de isolatoren, wat de tunnelingskans dramatisch verhoogt en een scherpe voorwaartskarakteristiek produceert. MIIM diodes presteren beter dan conventionele MIM diodes in frequentierespons, bereikend 3,7 THz. Het toevoegen van een derde elektrode converteert de structuur in een transistor. [PHI]

Kwantumdot Transistor

Een kwantumdot—een geïsoleerde nanoschaal geleider—kan discrete ladingen opslaan, met een 1- tot 3-nm dot die een enkel electron vasthoudt. Wanneer zo'n dot over een dunne isolator wordt geplaatst en aan een gate gekoppeld, kan de gatesspanning het energieniveau van de dot uitlijnen met de bron, wat een enkel electron in staat stelt op de dot te tunnelen (de "enkel-elektronen doos"). Het insluiten van de dot tussen bron en drain verandert de ladingsstaat van de dot in een gate-gecontroleerde modulatie van de bron-naar-drain stroom, analoog aan een RTD of Deltt. Deze benadering stelt een enkel transistortype in staat om complementaire logica te vormen. [GEP]

Enkel Elektron Transistor

Wanneer twee tunnelbarrières een klein geleidend eiland omringen, verandert de toevoeging van een enkel electron het potentieel van het eiland zo dramatisch dat verdere tunneling geblokkeerd wordt—een fenomeen Coulomb-blockade genoemd. Dit mechanisme onderbouwt enkel-elektron transistoren, die doorgaans cryogene temperaturen vereisen. Grafeen-gebaseerde eilanden hebben echter kamertemperatuur werking gedemonstreerd. [GEP]

Grafeen en Koolstofnanobuizen Transistoren

Grafeen transistor: Grafeen, een enkel-atoom-dik koolstofblad, vertoont uitzonderlijke geleiding zonder doping. Gefabriceerde transistoren met grafeengates tonen lage vermogensdissipatie en hoge schakelsnelheden, wat grafeen positioneert als een potentiële siliciumvervanger. Grafeen kwantumdots maken enkel-elektron transistor gedrag bij kamertemperatuur mogelijk. [AKG] [JWA]

Koolstofnanobuizentransistor: Een grafeenblad opgerold tot een buis levert een 1-dimensionele geleider die balistisch transport ondersteunt, wat verstrooiing minimaliseert. Zowel metallische als halfgeleidende nanobuizen zijn geïntegreerd in field-effect transistoren, wat kleinere, snellere en lager-vermogen alternatieven voor silicium biedt. [MBR] [PNG]

Spintronica

Spintronica exploiteert de elektrons spin—omhoog of omlaag—als binaire toestand, wat dataopslag en logica met minimaal energieverlies mogelijk maakt. Magnetische tunnelknooppunten (MTJs) bestaan uit twee ferromagnetische lagen gescheiden door een dunne isolator; de knooppuntweerstand hangt af van de relatieve spinaanpassing. Het toevoegen van een antiferromagnetische pinningslaag stabiliseert de referentiemagnetisatie, wat lees/schrijfgevoeligheid verbetert. MTJ arrays ingebed in siliciumwafers bieden niet-vlatiel, hoge-snelheid geheugen dat al in commerciële producten bestaat. [WJG] [IBM] [TLE]

Toekomstige spintransistoren, hoewel nog niet gerealiseerd, kunnen logische poorten mogelijk maken die spin voortplanten zonder ladingbeweging, wat het stroomverbruik dramatisch verlaagt. Spininjectie via ferromagnetische contacten of circulair gepolariseerd licht is gedemonstreerd, wat paden opent naar spin-gebaseerde elektronica. [DDA] [RCJ2]

OVERZICHT:

• Gate-oxide verdunning in MOS-transistoren veroorzaakt onacceptabele lekkage en verhitting, wat de praktische grens van conventionele schaling markeert.
• Resonante tunneling diodes gebruiken kwantumtunneling voor hoge-snelheid, laag-vermogen versterking.
• Deltt transistoren controleren tunneling tussen kwantumputten, wat complementaire logica mogelijk maakt zonder afzonderlijke p- en n-apparaten.
• Kwantumdot transistoren vervangen de gate met een enkel-elektron eiland, wat stroom moduleert via Coulomb-blockade.
• Spintronica manipuleert elektronspin in plaats van lading, wat niet-dissipatieve dataverwerking biedt.

GERELATEERDE WERKBLADEN:

• Elektrische geleiding in halfgeleiders werkblad