Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 28
Владимир Попов
- Владимир Павлович, как устроен обычный «макроскопический» транзистор?
- Транзистор — это управляемый полупроводниковый триод, который позволяет слабым низковольтным сигналом контролировать довольно большие токи. До него был электровакуумный прибор, который был сделан более чем сто лет назад и работал сначала в режиме токов, ограниченных инжекцией электронов из катода.
История изобретения полевого транзистора как основы сегодняшней информационной технологии также довольно давняя и тесно переплетена с электронными лампами. Интересно, что эволюция транзисторов идет в обратном направлении: от длинного канала, где ток ограничен пространственным зарядом, к короткому, где ток ограничен инжекцией. Первый патент на полевой транзистор датирован 1928 годом, его получил Лилиенфельд из США.
На самом деле он почти наш соотечественник, уроженец Львова, еврей, сначала он окончил университет в Вене, затем попал в Германию, работал в Берлине, и когда начались фашистские погромы, в 1926 году эмигрировал в США. Там ему предложили заняться твердотельной тематикой, а до этого он как раз работал с электровакуумными рентгеновскими трубками, и ему пришла мысль перенести свой опыт в твёрдое тело. Но, к сожалению, несмотря на то, что патент оказался вполне успешным (в смысле признания), его устройство вряд ли было сделано из-за неумения пассивировать поверхность полупроводников. Еще есть тонкоплёночные транзисторы.
Их изобрели тоже в Германии, в Гётенгене. Британский патент получил Оскар Хайл (Oscar Heil) в 1935 году. У него была русская жена Агнесса Арсеньева (Agnesa Arsenjewa), физик из Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, они вместе известны как изобретатели клистрона, сверхвысокочастотного электровакуумного прибора.
Эволюция электровакуумных триодов и МОП-транзисторов. R. Dutton in PhD of Reza Navid, 2005
Реализован, разумеется, был транзистор на кремнии. Приоритет изобретения отдан ровно 50 лет назад американцам — Дэвону Кангу и Мартину Аттале (Dawon Kahng and Martin M. (John) Atalla), хотя справедливости ради нужно упомянуть заявку на изобретение, посланную в конце 50-х годов молодым советским исследователем Раулем Нахмансоном из НИИ «Пульсар» (Москва), работавшим позднее в нашем Институте физики полупроводников СО АН. К сожалению, эксперт Союзпатента перепутал транзистор с диодом и заявку отверг, похоронив приоритет амбициозного учёного.
Почему полевой транзистор именно кремниевый? Потому что у него совершенная граница с диэлектриком, и низкая плотность электронных состояний на уровне Ферми, а значит, можно менять проводимость, прикладывая к поверхности диэлектрика электрический потенциал. Полевой транзистор сейчас — это артефакт, который сделан в наибольшем количестве экземпляров.
На каждого человека на Земле приходится 1010 транзисторов, это 10 миллиардов. Гвоздей за всю историю сделано меньше. Мы можем гордиться тем, что это самый массовый продукт. Размеры транзистора постоянно уменьшаются, и есть физические законы, которые позволяли это делать вплоть до последних 10 лет. А в последние 10 лет они работают сравнительно плохо, потому что разработчики дошли до физических пределов. И это сопряжено с очень серьёзными проблемами.
Технология использования отдельных атомов и молекул в электронике развивается уже давно. Последние публикации научного центра IBM в Цюрихе, например, демонстрируют изображения атомов, составляющих бензольное кольцо. Они легко наблюдаются в сканирующем туннельном микроскопе. Использовать эту технологию можно не только для того, чтобы наблюдать структуры, но также и чтобы создавать их.
Надо сказать, что эта группа учёных не была первой, потому что туннельной технологией пользуются давно, и было очень много споров по поводу того, как могут работать такие одномолекулярные транзисторы с ограниченным количеством атомов. Сначала были теоретические работы, а в 2009-2010 гг. появились и практические.
Но в подобных разработках, как правило, используются уникальные структуры, например, графен. Это моноатомный лист графита, то, что остается в следе карандаша. Если, например, провести линию на бумаге, она будет состоять из стопок графеновых чешуек. Из каждой чешуйки можно сделать транзистор. Но объединить это с существующей кремниевой технологией достаточно сложно, потому что это углерод, а значит, это другие технологические процессы, другая химия. И поскольку много усилий уже вложено в кремниевую технологию, все стараются придумать что-то аналогичное для кремния.
И опыт показывает, что пока ничего лучше кремния нет. Кремниевый транзистор с нанометровыми размерами работает почти с такой же скоростью, как транзистор на полупроводниковых соединениях, стоимость производства которых существенно выше.
- Что Вы думаете про работу австралийской группы? Какова её ценность?
- Статьи, опубликованные в Nature, отличаются тем, что гарантированно проходят хорошую научную экспертизу, и можно не беспокоиться о достоверности описанных научных результатов. Публикация, о которой идёт речь, не является прорывной, физика здесь достаточно известна и понятна. Поэтому приоритеты, о которых ученые заявляют в этой статье, довольно скромны. Они сообщают, что создали и проинспектировали новый класс устройств на основе кремния, и последнее они считают своим самым главным достижением.
Что касается комментариев в прессе с сенсационными заголовками, то ситуация здесь простая. Исследователи всегда стараются привлечь к своей работе внимание, в том числе и в масс-медиа, чтобы инвестор тоже прочитал, и решил, что надо поддержать эти разработки.
Как правило, сами учёные делают это аккуратно и грамотно. И эта статья написана ясным научным языком, в ней нет никаких журналистских выдумок и сенсационного заголовка, а фантазии и неточности появляются тогда, когда журналист или инноватор пытается сделать так, чтобы тема была интересна всем, а не только узким специалистам.
Схема транзистора группы Мартина Фюксле Martin Fuechsleet al., Nature Nanotechnology5, 502 -505 (2010)
- На каком принципе основана работа такого транзистора?
- Транзистор Мартина Фюхсле с соавторами, о котором вы спрашиваете, устроен примерно так же, как и с одним атомом примеси. В их приборе, представленном на рис.1, есть исток, сток, между ними два затвора и атомы примеси.
Изображение получено с помощью сканирующего туннельного (атомно-силового) микроскопа. Также в нём видны «ступеньки» — это атомные террасы на поверхности кремния. Они сначала покрыли поверхность водородом, он делает ее непроводящей, потом удалили его с помощью зонда в нужных местах, затем напустили газ, фосфин (соединение водорода с фосфором).
Фосфин очень активен, он взаимодействует с оборванными связями, и там, где он особенно активен, естественно, образуются проводящие дорожки. В середине сделан маленький «островок» с небольшим количеством атомов фосфора. Затем устройство отжигается при температуре 250 градусов Цельсия. Это самый критический шаг, потому что во время отжига картинка плывет, атомы начинают перескакивать из одного положения в другое, и она размывается.
Это главная проблема: сохранить, несмотря на размытие картинки, работающую структуру. Но они успешно нашли режим, в котором исходная структура не сильно размывается. Они сделали ещё один контакт, электрический, но уже с помощью алюминия и с защитным слоем кремния сверху. То есть, по сути, они зарастили кремнием эти слои с фосфором, и после у них получился готовый наноприбор, который можно исследовать.
Измерения проводятся при температуре 20 мК (температура жидкого гелия 4 К, а эта — в 200 раз меньше). Это очень низкие температуры, они достигаются откачкой паров жидкого гелия, и, к сожалению, без них наблюдать подобные эффекты нельзя. Это — главный недостаток конструкции. А достоинство заключается в том, что они создали сильно легированные 3-4 нанометровые островки, то есть настолько маленькие, что уже наблюдаются квантовые резонансные эффекты в переносе носителей от истока к стоку.
Кроме того, они проанализировали эти резонансы и доказали, что атомы в этом островке расположены хаотично и образуют почти непрерывную зону уровней, через которую транспорт идёт даже лучше, чем ожидалось. Это очень важно, потому что обычный транзистор работает не на туннельном эффекте, а на преодолении барьера за счёт тепловой энергии носителей заряда (то есть термоэмиссионный ток) и за счёт инжекции из истока.
Их прибор работает на туннельном токе, который как минимум в 10 раз меньше, чем инжекционный, так как вероятность туннелирования экспоненциально сильно зависит от расстояния, а также от числа уровней, по которым возможно туннелирование. Получение большого тока — главная проблема туннельных приборов.