Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 6 – vyšlo 10. února, ročník 10 (2012) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

6/2012

Jak tenký vodič ještě dokáže vést proud?

Miroslav Havránek

Mikroelektronika je patrně nejrychleji se vyvíjejícím oborem a proniká do našich životů ze všech stran. Elektronické čipy s vysokou hustotou integrace elektronických obvodů umožňují ukládat gigabyty dat, provádět s nimi komplexní operace, přijímat a odesílat data prostřednictvím mikrovlnných signálů, a to vše v jediném zařízení kapesní velikosti. Za tyto možnosti vděčíme neustále se vyvíjejícím technologiím, miniaturizaci a zvyšující se komplexitě integrovaných obvodů. Rychlost zmenšování obvodových struktur již více než 40 let úspěšně popisují proslulé Moorovy zákony. Asi každého napadne otázka, kdy tento pokrok skončí. Kde jsou fyzikální hranice miniaturizace tranzistorů? Jak moc můžeme zmenšovat průměr propojovacích vodičů mezi tranzistory, aby ještě zůstaly vodivé?

Moorův zákon – pozorování Gordona Moora, jednoho ze spoluzakladatelů společnosti Intel, které říká, že počet tranzistorů na jednom čipu se přibližně každých 18 měsíců zdvojnásobí. Toto pozorování publikoval v roce 1965 s periodicitou 12 měsíců, v roce 1975 zákon upravil na dobu 18 měsíců. Nejedná se o přesný fyzikální zákon, ale toto tvrzení s malými odchylkami platilo až přibližně do roku 2015. CMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá tranzistorů MOSFET obou typů vodivosti (NMOS a PMOS). CMOS technologií se v současnosti vyrábí většina elektronických integrovaných obvodů včetně procesorů, pamětí a v posledních letech také obrazové senzory digitálních fotoaparátů (alternativa k CCD). CMOS součástky vynikají nízkou spotřebou a vysokou hustotou integrace. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře technologicky zvládnutá. MOSFET – Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, polem řízený tranzistor, ve kterém je vodivost kanálu mezi elektrodami S (Source) a D (Drain) ovládána elektrickým polem vytvářeným ve struktuře kov–oxid–polovodič (MOS, Metal-Oxid-Semiconductor) napětím přiloženým mezi řídící elektrodu G (Gate) a elektrodu S.

Problémy při zmenšování elektronických obvodů

Většina integrovaných obvodů (elektronických čipů) se vyrábí technologií CMOSCMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá tranzistorů MOSFET obou typů vodivosti (NMOS a PMOS). CMOS technologií se v současnosti vyrábí většina elektronických integrovaných obvodů včetně procesorů, pamětí a v posledních letech také obrazové senzory digitálních fotoaparátů (alternativa k CCD). CMOS součástky vynikají nízkou spotřebou a vysokou hustotou integrace. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře technologicky zvládnutá.. Základním elementem integrovaného obvodu je MOSFETMOSFET – Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, polem řízený tranzistor, ve kterém je vodivost kanálu mezi elektrodami S (Source) a D (Drain) ovládána elektrickým polem vytvářeným ve struktuře kov–oxid–polovodič (MOS, Metal-Oxid-Semiconductor) napětím přiloženým mezi řídící elektrodu G (Gate) a elektrodu S. tranzistor technologicky vytvořený na křemíkovém substrátu. MOSFET má tři vývody nazývané S (source), D (drain) a G (gate). Napětím na elektrodě gate je možné modulovat proud protékající mezi elektrodami source a drain. Elektroda gate je elektricky izolovaná vrstvou izolantu od ostatních elektrod a také od křemíkového substrátu. S takovouto strukturou je možné realizovat téměř dokonalý spínač s téměř nekonečným odporem v rozepnutém stavu a téměř nulovým odporem v sepnutém stavu. V digitálních obvodech tranzistory pracují téměř výhradně jako velmi rychlé spínače. Zmenšováním rozměru tranzistorů na úroveň desítek nanometrů lze dosáhnout spínacích frekvencí v řádu gigahertzů. V takto malých tranzistorech se začínají uplatňovat kvantové efekty, jako je například tunelový jev zodpovědný za svodové proudy (mezi elektrodami source a drain a mezi gate a substrátem). Pokud svodový proud jediného tranzistoru dosáhne i zdánlivě zanedbatelné hodnoty 10 pA, pak v případě potřeby integrace deseti miliard tranzistorů, jako například v paměti běžného MP3 přehrávače, může vznikat poměrně vysoký ztrátový výkon a vybít tak napájecí baterii MP3 přehrávače za několik hodin.

Historický vývoj rozměrů tranzistorů v předchozích devíti letech. Poslední obrázek ukazuje topologii tranzistoru Tri-Gate (také označována jako 3D nebo Fin-Fet) představenou společností Intel v roce 2011. Tato technologie umožňuje snížit rozměr tranzistoru až na 22 nanometrů. Zdroj: Intel.

Nejenom zmenšování tranzistorů samotných představuje výzvu pro polovodičové technologie. Dalším problémem je elektrické propojení transistorů s rozměry desítek nanometrů. Elektrické propojení tranzistorů je realizováno sítí hliníkovýchHliník – Aluminium, velmi lehký kov bělavě šedé barvy, velmi dobrý vodič elektrického proudu, široce používaný v elektrotechnice a ve formě slitin v leteckém průmyslu a mnoha dalších aplikacích. Hliník byl objeven roku 1825 dánským fyzikem Hansem Christianem Oerstedem. nebo měděnýchMěď – Cuprum, ušlechtilý kovový prvek načervenalé barvy, používaný člověkem již od starověku. Vyznačuje se velmi dobrou tepelnou a elektrickou vodivostí, dobře se mechanicky zpracovává a je odolný proti atmosférické korozi. Je základní součástí řady velmi důležitých slitin a mimořádně důležitý pro elektrotechniku. vodičů v několika vrstvách. Pokročilé CMOSCMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá tranzistorů MOSFET obou typů vodivosti (NMOS a PMOS). CMOS technologií se v současnosti vyrábí většina elektronických integrovaných obvodů včetně procesorů, pamětí a v posledních letech také obrazové senzory digitálních fotoaparátů (alternativa k CCD). CMOS součástky vynikají nízkou spotřebou a vysokou hustotou integrace. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře technologicky zvládnutá. technologie používají až 11 vrstev metalizace. Se zmenšováním průřezu elektrických propojek se zvyšuje odpor, což má za následek zvýšení ztrátového výkonu a také snížení rychlosti čipu. Lze ale principiálně vytvořit vodič o průměru několika atomů pro vedení elektrického proudu? Nezamezí kvantové jevy průchodu proudu? Odpověď na tuto otázku poskytly experimentální výsledky skupiny vědců z University of New South Wales v australském Sydney.

Spletitá mnohovrstevnatá struktura elektrických propojení tranzistorů
v integrovaném obvodu. Zdroj: IBM.

Ověření platnosti Ohmova zákona na atomární úrovni

Skupině experimentátorů z Austrálie se podařilo vytvořit na křemíkovémKřemík – polokovový prvek, hojně se vyskytující v zemské kůře. Slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek nebo položek pro pěstování nanostruktur. Oxid křemičitý je základní surovina pro výrobu skla a významná součást keramických a stavebních materiálů. Objev křemíku je připisován švédskému chemikovi J. Jacobu Berzeliovi (1824). substrátu miniaturní vodič o šířce čtyři atomy a tloušťce pouhý jeden atomAtom – základní strukturní jednotka hmoty, jádro je složeno z neutronů a protonů, obaly z elektronů. Rozměry atomu jsou 10⁻¹⁰ m, rozměry jádra 10⁻¹⁴ m, hustota atomu je 10¹¹ g·cm⁻³, hustota jádra 10¹⁴ g·cm⁻³. Elektrony nejsou v atomárnáím obalu lokalizovány, můžeme určit jen pravděpodobnosti jejich výskytu v tzv. orbitalech.. Cílem experimentů s tímto vodičem bylo prokázat, zda je vůbec možné takovou strukturu vytvořit a nechat jí protékat elektrický proud. ElektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. v takovém vodiči jsou uvězněny v jednodimenzionálním prostoru a chovají se podobně jako auta na dálnici. Stejně jako jediná dopravní nehoda na dálnici zcela zastaví provoz, tak i výskyt jediné poruchy vazeb mezi atomy může přerušit tok proudu. Tento princip částečně funguje i opačně – zdánlivě nepatrná koncentrace vhodné příměsi může z nepříliš vodivého materiálu udělat dobrý vodič. Přesně takovým způsobem byl za pomoci epitaxeEpitaxe – termín pocházející z řeckých slov „epi“ (nad) a „taxis“ (uspořádaně) označující orientovaný růst monokrystalických vrstev. Tyto vrstvy vznikají (doslova rostou) na monokrystalickém substrátu (podložce) z plynných, kapalných či pevných látek a svou krystalickou strukturou plynule navazují na strukturu substrátu. Tento technologický postup se hojně využívá při výrobě polovodičových struktur. z molekulárních svazků tento miniaturní vodič připraven. Dopováním křemíku atomy fosforuFosfor – Phosphorus, nekovový chemický prvek, poměrně hojně se vyskytující v zemské kůře, který má zároveň důležitou roli i ve stavbě živých organizmů. Historicky byl fosfor poprvé izolován německým alchymistou Heningem Brandtem v roce 1669. Elementární fosfor se vyskytuje ve třech modifikacích – bílý, červený a černý fosfor. s průměrným rozestupem 1 nm vznikl vodič o relativně nízké rezistivitě, přibližně 0,3 mΩ·cm. Ke koncům vodiče byl připojen zdroj o napětí cca 500 μV a byla studována jeho vodivost. Výsledky měření potvrdily lineární závislost mezi napětím a proudem – tedy dobře známý Ohmův zákon.

Obrázek pořízený skenovacím tunelovým mikroskopemSEM – Skenovací Elektronová Mikroskopie, vytváření obrazu předmětu elektronovým mikroskopem z odražených elektronů. Energetický svazek elektronů skenuje povrch vzorku. Obraz tvořený odraženými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Slouží zejména k metalografickým analýzám kovových či pokovených materiálů a chemické analýze jejich složení na základě spektrometrie charakteristického rentgenového záření buzeného dopadajícím elektronovým svazkem. Jinou technikou je TEM, při které se obraz vytváří z prošlých elektronů. ukazuje vodič
o šířce pouhé čtyři atomy. Zdroj: [2].

Závěr

Výsledky výše uvedeného experimentu ukazují, že síť propojení mezi tranzistory integrovaného obvodu je možné škálovat až na atomární úroveň. Pokud se v budoucnu podaří miniaturizovat i tranzistory na atomární úroveň, pak by tento stav představoval skutečnou fyzikální hranici miniaturizace. Vstoupí mezitím do hry kvantové počítače? Zatím se nacházíme poměrně daleko od takto smělých cílů a zdá se tedy, že výrok Richarda Feynmana z roku 1959 „There's plenty of room at the bottom“ je platný i nadále.

Animace týdne: Předepnutý křemík

Předepnutý křemík. Jedním z technologických triků jak zvýšit maximální spínací frekvenci tranzistorů je využití předepnutého křemíku, tj. křemíku s uměle zvětšenou mřížkovou konstantou. Nosiče náboje v předepnutém křemíku dosahují vyšší pohyblivosti, a proto tranzistory mohou pracovat rychleji. Zvětšení mřížkové konstanty se dosahuje epitaxním růstem několika atomárních vrstev křemíku na povrchu substrátu vyrobeného ze sloučeniny křemíku a germania (Si-Ge). Mřížková konstanta této epitaxní vrstvy (Si) se přizpůsobí mřížkové konstantě substrátu (Si-Ge), která je větší než u křemíku samotného. S tímto nápadem přišla společnost IBM v roce 2001. Na klipu je vidět průchod proudu klasickým křemíkovým tranzistorem a tranzistorem využívající předepnutý křemík, se kterým je možné dosáhnout až o 35 % vyšší spínací frekvenci. Zdroj: IBM. (mp4/h264, 1 MB)

Odkazy