Vai tranzistoru varēsstūrēt viens atsevišķs elektrons?

Aplūkosim tranzistoru un mikroshēmu turpmākās attīstības perspektīvas, tostarp jaunākās izstrādnes, kas jau atstāj zinātniski pētniecisko laboratoriju sienas vai vēl spiestas uzkavēties tajās. Kopš1948. gada, kad Bardins, Brateins un Šokli izgudroja tranzistoru, un 1959. gada, kad Kolbi un Noiss patentēja integrālo jeb mikroshēmu (MS), ieteikdami tranzistoru un citu diskrēto detaļu kopu tehnoloģiski saspiest vienā ierīcē, tranzistori ir nepārtraukti pilnveidojušies. Turklāt MS tranzistori kļuvuši arvien mazāki. MS attīstība virzījusi elektronikas, telekomunikāciju un datoru tālāko izaugsmes ceļu, nosakot informācijas laikmeta signālu apstrādes elementu bāzi (hardware). Bez MS nemitīgā progresa mobilais telefons un klēpjdators labākajā gadījumā būtu smaga un neparocīga čemodāna lielumā!

Gadiem ilgā konkurences cīņa starp bipolāriem (izmanto divu veidu lādiņnesēju plūsmas) un unipolāriem (izmanto viena veida lādiņnesējus) tranzistoriem ir noslēgusies pēdējo labā. Patlaban no visām ražotām MS aptuveni 80 procentu ir MOSFET unipolārie laukefekta tranzistori, kuros tehnoloģiski izvietoti metāla, oksīda — dielektriķa un pusvadītāja (parasti silīcija) klājumi. Mūsdienās digitālo MS ir daudz vairāk nekā analogo MS, kas tikai pierāda ciparizācijas globālo raksturu. MOSFET MS iegājušas SLSI (Super Large Scale Integration) integrācijas attīstības fāzē — uz silīcija gabaliņa (čipa) jau tiek izvietotsaptuveni miljards tranzistoru! Caurmērā 10 miljoni tranzistoru uz 1 cm2.

Šis likums noteic, ka MS integrācijas pakāpe katru gadu pieaug divas reizes. Bet tā var pieaugt tikai tad, ja tranzistors kļūst mazāks. To labi raksturo t. s. litogrāfiskā izšķirtspēja — minimālais shēmas zīmējuma celiņa platums, ko var realizēt uz čipa. Patlaban tā ir apmēram 0,15 µm = 150 nm (1. zīm.). Bet tā ir caurmēra projektētā norma un tā nenozīmē, ka faktiskais lielums dažu firmu izstrādnēs nevarētu būt mazāks. Jo mazāks tranzistors, jo ašāk tas var pārslēgties. Pieaug datu apstrādes ātrums un t. s. MS takts frekvence (1. zīm.). Tāpat pieaug atmiņas ietilpība. Mazākam tranzistoram nepieciešams arī mazāks barošanas spriegums, tātad uzlabojas visi svarīgākie raksturlielumi. Līdz apmēram astoņdesmito gadu sākumam Mūra likums tikai nedaudz pārspīlēja MS ražošanas tehnoloģijas nemitīgo miniaturizācijas progresu (tajā pašā laika posmā MS elementu izmaksas uz vienu atmiņā ievietoto bitu samazinājušās gandrīz miljons reižu!). Mūsdienās Mūra likums ir deģenerējies: integrācijas pakāpe dubultojas un galvenie raksturlielumi uzlabojas apmēram divas reizes tikai ik pēc 20 mēnešiem vai pat diviem gadiem. Novērots, ka MS — mikroprocesoru — signālu apstrādes ātruma un atmiņas ietilpības pieaugums par kārtu, t. i., 10 reižu, telekomunikāciju un datoru tehnoloģijā rada kvalitatīvas elektronisko iekārtu īpašību izmaiņas. Piemēram, viskvalitatīvāko analogo TV nomaina vēl labāka digitālā TV, nāk jaunas mobilo telefonu paaudzes, arvien mazākas kļūst dažādas pārnēsājamās datoru konstrukcijas utt.

Nelaime tikai tā, ja pašreizējās MS mikrominiaturizācijas tendences saglabāsies (1. zīm.), ja tiks pilnībā apgūtas progresīvās MS litogrāfijas (īso ultravioleto staru, rentgenstaru un elektronkūļa) metodes, tad jau ap 2010. gadu visizplatītākā datoru un digitālo iekārtu pamatķieģelīša MOSFET izmēri samazināsies līdz tādiem lielumiem (ņ30 nm), ka sāks izpausties fundamentālie ierobežojumi — kvantu mehāniskie izmēru efekti. Tas nozīmē, ka būs jārēķinās ne tikai ar t. s. īsā kanāla efektu starp MOSFET elektrodiem, noplūdi caur plāno silīcija oksīda slānīti un silīcijā ar nolūku ievadīto piemaisījumu fluktuācijām. MOSFET izmēri kļūs samērojami ar lādiņnesēja kvantu mehānisko viļņa garumu, kas, iespējams, novedīs pie lādiņa un lādiņnesēja enerģijas kvantēšanas efektiem. Pagaidām pētniekiem ir tikai miglains priekšstats par to, vai negatīvās parādības izdosies novērst, vai minētos kvantu efektus varēs izmantot tālākai MOSFET raksturlielumu pilnveidošanai vai arī šie pārāk sīciņie tranzistori pārstās darboties.

Tomēr tas nenozīmē, ka speciālisti, rokas klēpī salikuši, gaida 2010. gadu. Daži intriģējoši un daudzsološi pētniecības virzieni, kas izmanto t. s. nanotehnoloģiju, zinātniskajā periodikā jau parādījušies. Šeit minēsim tikai divus no tiem: SET — viena elektrona tranzistoru — un TUBEFET — vienas atsevišķas oglekļa nanocaurulītes laukefekta tranzistoru.

Pēc konstrukcijas SET ir ļoti līdzīgs MOSFET. Tikai zem aizvara dielektriķa ļoti šaurajā un īsajā (16 nm) kanālā tiek iepilināta silīcija nanokristāliņa saliņa (12 nm diametrā!), kuru no SET izteces (source) un noteces (drain) atdala plāna izolējoša barjera (2. zīm.). Enerģētiski tā ir pietiekami liela, lai elektroni to varētu pārvarēt, tikai izmantojot t. s. kvantu mehānisko tunelēšanas efektu. Darbības princips ir ļoti vienkāršs: lai starp izteci un noteci plūstu strāva, elektroni no saliņas ir jāpievieno vai jāatrauj. Jasa liņas elektrostatiskā lādiņa enerģija ir lielāka par termisko enerģiju, SET ir nevadošs. Pievadot spriegumu aizvaram, izdodas pietiekami samazināt saliņas potenciālo enerģiju, lai tās lādiņa enerģija kļūtu mazāka par termisko — SET kļūst vadošs. SET tranzistori, kas darbojās zemās temperatūrās (T<10K), tika izgatavoti jau pirms 13 gadiem, taču tikai nesen šo ierīci realizēja istabas temperatūrā [1]. Fiziķi SET izmanto kā ierīci, kas spēj noteikt superniecīgus elektriskos lādiņus — pat elektrona lādiņa 10-5 daļu! Ar SET, acīmredzot, tiks izveidots precīzākais strāvas frekvences pārveidotājs. Vai SET izkonkurēs MOSFET? Problēma šeit ir tikai tā, ka SET pastiprināšanas koeficients ir mazāks par vienu.

Arī šīs ierīces konstrukcija nav sarežģīta, nepieciešama tikaiÉ oglekļa nanocaurule (3. zīm.). Šīs gandrīz atoma izmēru, ultrasīkās oglekļa viensieniņas nanocaurulītes izgatavošanas tehnoloģiju deviņdesmito gadu sākumā izstrādāja japāņi Jijima un Išihaši. Tās diametrs ir tikai nedaudz lielāks par 1 nm! Elektrona enerģija kustībā pa caurulītes aploci nav nepārtraukta, bet tiek kvantēta. Šo tehnoloģisko brīnumu var izgatavot divējādu: ar metāla un pusvadītāja īpašībām. Fizikāli caurulīte uzvedas kā viena liela molekula. TUBEFET izmanto pusvadītāja nanocaurulītes. Ar aizvara spriegumu (–2É+8 V) ierīci var izslēgt un ieslēgt, tās vadītspējai izmainoties 106 reižu. Ja aizvara spriegums pozitīvs, TUBEFET ir nevadošs, ja negatīvs — vadošs. TUBEFET priekšrocības Samazinot dielektriķa slāņa biezumu, tāpat ar citām metodēm izdodas panākt, ka pastiprinājuma koeficients ir lielāks par 1; ierīces pārslēgšanās ātrums ir 0,1 pikosekunde (10-13 s), kas atbilst maksimālai frekvencei 10 THz = 1013 Hz; ražošanas tehnoloģija (no mūsdienu viedokļa!) nav pārāk sarežģīta; nav ierobežojumu TUBEFET kopu izgatavošanai, kas paver ceļu jauna tipa MS. Ultramazais TUBEFET tranzistors jāuzskata par vienu no perspektīvākajiem iepriekšējā gadsimta nogales izgudrojumiem elektronikā. Tehnoloģiski piebiedrojot pamatmateriālam silīcijam pusmetālu oglekli, šķiet, var mainīt visu tranzistora mikrominiaturizācijas stratēģiju.

Katrs, kam gadījies nomest savu klēpjdatoru vai mobilo tālruni uz asfalta vai cietas klona grīdas, konstatējis, ka parasti visstiprāk cieš displejs. Šķidro kristālu displejus izveido kā t. s. aktīvās matricas (AMLCD — Active Matrix Liquid Crystal Displays). Tās ir caurspīdīgu metālisku vadītāju režģi, kur vertikālo un horizontālo josliņu krustpunktos izvietotas šķidro kristālu šūnas, kas veido attēla vismazāko elementu (pikselu). Šūnu optiskos raksturlielumus (spilgtums, krāsa) stūrē ar tām blakus izvietotiem plānās kārtiņas tranzistoriem (PKT). Mūsdienu elektronisko iekārtu(pārnēsājamie datori un TV, mobilie telefoni u. c.) displeju pamatu veido stikls, bet PKT pusvadītājs ir trauslais amorfais silīcijs. IBM zinātnieku grupa T. J. Vatsona pētniecības centrā Ņujorkā nolēmuši izveidot tādu AMLCD displeju, kas būtu lēts un elastīgs. Lai izgatavotu displeju no caurspīdīga polimēra, būtu ļoti vēlams arī PKT pusvadītāja vietā lietot līdzīgu materiālu. Tie ir t. s. organiskie pusvadītāji — tiofēna oligomēri vai pentacēns. Taču uz šīm vielām bāzētiem PKT bija trūkumi: ļoti augsts stūrēšanas spriegums (100 V) un pārāk zemais lādiņnesēju kustīgums. IBM pētnieki, šķiet, tos ir novērsuši un radījuši efektīvu pentacēna tranzistoru (4. zīm.), kas atbilst displeju konstruktoru prasībām [3]: noklāj lielus laukumus; ir mehāniski elastīgi; iespējams visas PKT tehnoloģiskās operācijas veikt istabas temperatūrā; niecīgas izmaksas. PKT ieslēgtā un izslēgtā stāvokļa strāvu attiecība lielāka par 106, pietiekams pārslēgšanās ātrums un dažos voltos mērojamais stūrēšanas spriegums. PKT parametri uzlaboti, par aizvara dielektriķi izmantojot nevis silīcija oksīdu, bet BZT (bārija cirkonātu titanātu) ar 4,4 reizes lielāku dielektrisko caurlaidību. Tādējādi dažos īpašos lietojumos var iztikt bez sarežģītās nanotehnoloģijas, atteikties pat no tradicionālā silīcija vai dārgā gallija arsenīda un tranzistora darbības pamatā likt pavisam citu materiālu.

Arnolds VĪTOLS

Informācijas avoti
1. L. Zhuang et al. Appl. Phys. Lett. 1998, vol. 72, 1205-1207
2. S. I. Tans et al. Nature. 1998, vol. 393, 49-51.
3. C. D. Dimitrakopoulos et al. Science. 1999, vol 283, 822-824.