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单电子晶体管:缩比技术的最终极限?
内容导读:
  在不远的将来,传统CMOS技术可能就会达到其极限。那时,在任意时间内CMOS晶体管栅极下部的沟道内大约有100个电子。一些科学家正在研究如何进一步扩展至最终极限:栅极下部只有1个电子,即所谓的单电子晶体管(single-electron transistor,SET)。“我们知道,CMOS缩比技术将在10~15年内走到终点。”TI公司 Christoph Wasshuber说,“如果我们希望能够继续遵从摩尔定律,继续使用缩比器件,使它们更便宜、速度更快、功耗更低,那么我们将不得不研究一些新东西。那时SET将会走上半导体的舞台。不过不是取代CMOS,而是和CMOS相结合,继续将技术延伸下去。”
  Wasshuber说,如果你见过其它所有的纳米器件方案,你就会发现单电子器件不仅在概念上是最先进的,而且最容易和CMOS相结合。“我们将会从纯CMOS技术转向其他技术,那时我们可以开始看到少量SET器件的应用。最终,器件中将只含少量CMOS作为与现实世界的界面,而芯片上的绝大多数元器件都由SET组成。”
  TI和Swiss Federal Institute of Technology合作,提出了使用SET执行逻辑功能的可能方式,它将大大减小未来半导体器件的尺寸大小和功耗。在上个月的IEDM(International Electron Devices Meeting)会议上,研究人员发表的文章通过模拟指出,SET和标准CMOS晶体管的组合可以为执行逻辑功能提供足够的增益和电流驱动,其尺寸要比纯CMOS器件小很多。由于SET可以使用单电子来表示逻辑状态,因此它很有希望使电子运算达到理论极限水平。

  IEDM会议上发表的模拟结果非常鼓舞人心,它利用SET的周期性电流电压特性解决了随机背景电荷问题,这是SET研究的主要障碍。“你会发现采用这种可移动栅极SET可以避免随机背景电荷的影响。”Wasshuber说,“理论上的障碍已经不存在了。现在,你可以开始考虑在逻辑电路中使用成千上万个,甚至是几百万个SET来完成有用的工作。”
  除了尺寸很小外,SET的作用超出了大多数CMOS晶体管的开关功能。“SET的I-V特性和MOSFET完全不同,它具有周期性功能。要达到同样的功能,要使用几十个MOSFET,而SET只需要一个。”Wasshuber说,“除了可以将SET缩小到几个原子那么大外(MOSFET是不可能做到这么小的),你还可以获得额外的、更高密集度的功能。因此,你可以进一步减小器件尺寸和降低功耗。”
  SET的基本结构是一个量子点,大小约为1-10 nm,有三条引线。其中一条是源极引线,另一条是漏极引线。通过引线,电子可以从源极导向量子点,然后从量子点传导到漏极。第三条引线是栅电极,通过电容耦合可以影响量子点的电势。在IEDM会议上,研究人员描述了可调节栅极SET器件的结构,它具有悬浮的导电层和十分之几纳米级的空气间隙(如图)。该栅极结合了纳米级器件的电性能和机械性能特性,可用于设计高密度神经网络或高密度模数转换阵列,这些应用都需要高速工作和低功耗。
  对于研究人员来说,下一个挑战是如何在硅片上采用与CMOS兼容的工艺制造高度可靠的SET。SET可能首先应用于存储器或一些特殊测量工具,例如精确的温度计和超级敏感的静电计。
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来源:半导体国际 作者: 时间:2004/3/9 0:00:00
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