Кроссбар-архитектуры

Примерно пятьдесят лет назад на одном кристалле кремния размещался всего один транзистор, сегодня – почти миллиард. Поскольку в ближайшие 15 лет количество транзисторов в ИС будет и дальше увеличиваться, их элементы уменьшатся почти до размеров молекул. Достижение принципиального предела возможностей кремниевых транзисторов ведет к уменьшению размеров их элементов до 10 нанометров, что немыслимо без внедрения серьезных технологических новшеств. Необходимы совершенно новые решения, позволяющие уменьшить размеры вычислительных устройств. Однако поразительные результаты кремниевых ИС поднимают планку требуемых характеристик столь высоко, что на разработку достойной смены уйдет длительное время.

Ученые всего мира рассматривают несколько перспективных путей развития элементной базы устройств обработки информации.

Например, для обработки информации  предлагается использовать квантовые вычислители. Однако пройдут годы, прежде чем квантовые вычисления перейдут из теории в практику.

Поэтому многие научно- исследовательские группы занимаются поиском среднесрочной альтернативы, промышленное внедрение которой займет не более 10 лет. У экономически жизнеспособной технологии должно быть много общего с современной микроэлектроникой, чтобы можно было использовать уже имеющиеся производственные мощности и программные платформы.

Компания HewlettPackard  совместно с химическим факультетом Калифорнийского университета в Лос - Анджелесе проводит исследования по так называемой кроссбар-архитектуре, которую они считают наиболее перспективной. Кроссбар состоит из двух взаимоперпендикулярных наборов параллельных проводников толщиной не более ста атомов, разделенных мономолекулярным слоем, сопротивлением которого можно управлять с помощью электрических сигналов (см. рис.1). В местах пересечения

Изображение2

Рис. 1

нанопроводников формируются ключи. Вначале они разомкнуты (состояние с большим сопротивлением). Размыкание ключа происходит в результате электрохимического сужения туннеля, по которому электроны могут перейти с одного проводника на другой. Когда к паре нанопроводников (на рис.1 –желтый и оранжевый) прикладывают достаточно большое напряжение определенной полярности, соединяющий их ключ замыкается, т.е. переходит в состояние с малым сопротивлением. Он останется в этом состоянии до тех пор, пока на него не будет подано достаточное напряжение противоположной полярности, снова переводящее его в состояние с большим сопротивлением. Ключи сохраняют заданные  состояния уже 3 года! Таким образом, в данной схеме используют электрохимический ключ из молекул ротаксанов.

Сегодня над созданием надежных наноскопических ключей из атомов и молекул работают десятки исследовательских групп в разных странах мира. Некоторые из них приведены в таблице.

Руководитель или

название группы

Организация

Тип ключа

Программа квантовых исследований

Quantum Science Research =QSR

Директор программы Стенли Уильямс

(R.Stanley Williams)

Лаборатория компании

HewlettPackard

Окисление–

восстановление металлических

нанопроводников

Дж. Хит/Дж. Стоддарт

(James R.Heath/J. Fraser

Stoddart)

Калифорнийский

технологический институт(CIT)/Кали-форнийский университет в Лос- Анджелисе (UCLA)

Мономолекулярный слой ротаксанов между кремниевыми и титановыми нанопроводниками

Андре Деон/Либер

(Andre DeHon/)

CIT/Гарвардский университет

Полевые транзисторы на кремниевых нанопроводниках

Константин Лихарев

(Konstantin K. Likhrev)

Университет

в Стоуни-Брук

Одноэлектронный

молекулярный транзистор

Масакадзу Аоно

(Masakazu Aono)

Японский национальный

институт материаловедения

Ионный проводник

из Ag2S (атомный

ключ из серебра)

Райнер  Вазер

(Rainer Waser)

Юлихский научный

центр (Германия)

Движение дефектов в

тонких сегнетоэлектрических

пленках

 

Современные технологии производства наносхем можно разделить на две категории по методу изготовления: снизу верх и сверху вниз. Первые основаны на использовании химических или биохимических процессов, в результате которых атомы или молекулы сами выстраиваются в нужные конфигурации за счет своих внутренних свойств. На рис.2 приведено

Изображение 003

Рис.2

изображение силицид-эрбиевого нанопроводника шириной 3 нм (10 атомов), выращенного на кремниевой подложке химическим методом (снизу вверх), полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Выпуклости на поверхности проводника – это отдельные атомы, а ”шишка” на краю – дефект, где его ширина уменьшается с десяти до девяти атомов.

Вторая категория технологий схожа с обычными методами формирования ИС, в которых используется фотолитография с последующим травлением или нанесением материалов для получения требуемой структуры. Эту технологию используют, например, ученые из HewlettPackard. Сначала с помощью электронно-лучевой литографии формируют шаблон наносхемы. На подложку наносится полимер, и к полученному тонкому мягкому слою прижимается шаблон. Затем отпечаток отверждается под воздействием тепла или ультрафиолетового излучения. Такой метод позволяет получать произвольную геометрию межсоединений, тиражировать конечный продукт, используя изготовленный один шаблон. Однако этод метод имеет пока малое разрешение (не позволяет создавать системы параллельных нанопроводников с полушагом меньше 30 нм), процесс получения шаблона длительный и дорогостоящий.

Проводники в кроссбарах настолько малы, что при их изготовлении неизбежно возникает множество дефектов атомного размера. Даже неровности размером с атом приводят к значительному разбросу параметров наноэлементов, следовательно, образуются дефекты (см. рис.2, рис.3). Поэтому

inform

Рис.3

развитие наноэлектронных технологий тесно связано с обеспечением дефектоустойчивости изготавливаемых устройств.