Публикации: Оптика и электроника (рубрикатор)

Продолжающаяся миниатюризация привела к переходу полупроводниковой промышленности к производству на наноуровне. Лидирующее место в этой области принадлежит производству микросхем, где разрабатывается 32 нм процесс изготовления процессоров (ожидается к 2009 году). У создателей микросхем впереди ещё много серьёзных проблем, которые связаны в основном с тем, что им придётся все глубже «погружаться» в наномир, где по некоторым параметрам в ближайшем будущем они достигнут физических пределов для традиционных логических MOSFET (полевой МОП-транзистор). В дополнение к физическим барьерам полупроводниковые компании достигнут и экономических барьеров, т.к. доходность будет минимальной из-за непомерной стоимости строительства необходимых производственных мощностей. Квантовые и когерентные эффекты, сильные электрические поля, которые вызывают лавинные пробои, проблема отвода тепла от плотно упакованных структур и влияние точечных дефектов – всё это серьёзные преграды на пути миниатюризации. Заметим, что если размер затвора транзистора менее 100 нанометров, то это ещё не означает реализацию наноэлектроники и использование качественно новых физических свойств, связанных с уменьшением размера. Цель наноэлектроники – обрабатывать, передавать и хранить информацию, используя преимущества свойств материи, которые сильно отличаются от макроскопических свойств. Понимание механизма транспорта в наномасштабе и возможность симулирования наноустройств требуют принципиально новых методов моделирования.

Наноэлектроника обладает достаточным потенциалом, чтобы заменить если не все, то большинство традиционных полупроводниковых технологий. Транзисторы и кремний могут остаться в прошлом, т.к. учёные уже сейчас ищут все возможные пути создания наноустройств обработки информации, которые бы использовали квантовые вычисления; имитировали живые организмы; были бы основаны на ДНК или представляли собой кремнеево-биологический гибрид. Отказ от электронов, использовавшихся в качестве основы обработки сигналов и вычислений в течение долгого времени, может привести к отказу от самого термина «электроника».

Что касается ближайшего будущего, полупроводниковая промышленность всё ещё «на ходу» и не собирается сдавать позиций, а прогресс в наноэлектронике идёт медленно и эта область пока остаётся на элементарном уровне. До того, как мы увидим IBM 'Wet Blue' или некоторые другие виды компьютеров, не использующих кремний, традиционные технологии и отработанные схемы производства будут существовать. Тем не менее, ускорение исследований в области наноэлектроники требует подъёма во многих сопутствующих областях, таких как моделирование.

Полупроводниковая промышленность – это один из выдающихся примеров промышленности, где остро требуется разработка устройств нового поколения, особенно с экономической точки зрения. Так как стоимость чипов от поколения к поколению растёт, то любая ошибка стоит очень дорого, поэтому моделирование становится важнейшим этапом на стадии разработки.

Вот почему инженеры и конструкторы полагаются на компьютерные программы, моделирующие новые устройства без их непосредственного изготовления. Если смоделированное на компьютере устройство отвечает всем необходимым требованиям, то инженеры переходят к изготовлению прототипа. Такой подход минимизирует, а в идеале устраняет, возможность неудачи.

Традиционные модели транспорта для полупроводниковых устройств трактуют электроны и дырки как классические частицы. Существует огромное количество программного обеспечения, которое позволяет моделировать полупроводниковые устройства, используя такое классическое приближение. Однако, при уменьшении размеров устройств до нанометров, граница между устройством и материалом становиться расплывчатой. Квантовомеханические эффекты структуры материала, лежащего в основе наноустройства, доминируют над характеристиками самого устройства.

«Среди множества методов моделирования самым современным, безусловно, является так называемый метод Монте-Карло, который основан на использовании физики элементарных частиц и транспорта по принципу случайных чисел», - объясняет доктор Jean Michel Sellier. «Это может звучать немного странно, но моделирование детерминированного поведения частиц в устройствах при помощи метода случайных чисел - это уже успешно использованный метод для моделирования микронных и субмикронных устройств, который был недавно модифицирован для моделирования наноразмерных устройств, где квантовые эффекты начинают оказывать влияние».

Sellier – основатель SouthNovel, компании по разработке программного обеспечения для моделирования полупроводниковых устройств. SouthNovel разработала Aeneas – передовую программу для моделирования квантового транспорта в трёхмерных полупроводниковых устройствах из органических и неорганических материалов при помощи метода Монте Карло.

С помощью программы Aeneas были успешно смоделированы некоторые наноустройства, которые показывают интересные возможности наноэлектроники.

«В действительности одна из самых важных и передовых характеристик новых структур электронных устройств является то, что они могут быть полностью трёхмерными и иметь различные формы, которые совершенно не похожи на таковые в микроэлектронике», - говорит Sellier. «До настоящего времени ни полупроводниковые компании, ни академические институты не обладали программным обеспечением, которое позволяло бы моделировать полностью трёхмерные формы. Именно поэтому программа Aeneas компании SouthNovel сегодня считается самым современным симулятором, который использует метод Монте-Карло».

Чем дальше продвигаются полупроводниковые компании в глубь неосвоенных нанотерриторий, тем всё более необходимыми становятся современные программы для моделирования полупроводниковых устройств.