НАНОРАЗМЕРНЫЙ ЛОГИЧЕСКИЙ ИНВЕРТОР ДЛЯ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ
NANOSCALE LOGIC INVERTER FOR DIGITAL DEVICES

Область техники
Изобретение относится к наноэлектронике и может быть использовано при создании логических интегральных схем с элементами нанометровых размеров.
Уровень техники
Известен интегральный логический элемент И-НЕ на основе слоистой трехмерной наноструктуры, содержащий первый и второй логические транзисторы, первый и второй инжектирующие транзисторы и подложку. Логическая структура элемента И-НЕ выполнена наноразмерной со ступенчатым профилем, область I типа проводимости, которая является базой первого инжектирующего транзистора, базой второго инжектирующего транзистора и эмиттером второго логического транзистора, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 3 нм на подложке высотой не менее 15 нм II типа проводимости, которая является эмиттером первого инжектирующего транзистора и эмиттером второго инжектирующего транзистора. Область II типа проводимости, которая является коллектором второго инжектирующего транзистора и базой второго логического транзистора, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 3 нм на области I типа проводимости, которая является базой первого инжектирующего транзистора, базой второго инжектирующего транзистора и эмиттером второго логического транзистора. Область I типа проводимости, которая является коллектором второго логического транзистора, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 10 нм на области II типа проводимости, которая является коллектором второго инжектирующего транзистора и базой второго логического транзистора. Область II типа проводимости, которая является коллектором первого инжектирующего транзистора и базой первого логического транзистора, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 10 нм на области I типа проводимости, которая является базой первого инжектирующего транзистора, базой второго инжектирующего транзистора и эмиттером второго логического транзистор. Область I типа проводимости, которая является коллектором первого логического транзистора, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 10 нм на области II типа проводимости, которая является коллектором первого инжектирующего транзистора и базой первого логического транзистора, входные области I типа проводимости, каждая из которых является эмиттером первого логического транзистора, сформированы в виде нанослоя высотой не менее 10 нм на области II типа проводимости, которая является коллектором первого инжектирующего транзистора и базой первого логического транзистора (RU 2452058).
Недостатком известного устройства является то, что вычислительные устройства на основе полупроводниковых структур характеризуются значительным энергопотреблением последних, что становится критичным в связи с созданием суперкомпьютеров, объединяющих большое число одновременно работающих процессоров. Кроме существенного энергопотребления, кремниевые процессоры также характеризуются ограничениями по тактовой частоте, что обусловлено достижением предельной величины подвижности носителей в канале транзисторов, определяемой физическими характеристиками материала.
Применение сверхпроводников для создания вычислительных устройств представляется весьма перспективным не только в связи с существенным уменьшением энергопотребления и с потенциально большими достижимыми частотами переключения.
Известен способ перевода сверхпроводника в электронных функциональных наноразмерных устройствах из сверхпроводящего состояния в нормальное (RU 2674063). Перевод осуществляют путем его локального нагрева, а для нагрева используют тепловыделяющий элемент в виде сверхпроводящего нанопровода, гальванически не связанного с подвергаемым воздействию и расположенного с наноразмерным зазором рядом с нагреваемым отрезком сверхпроводника с пропусканием через него тока, превышающего величину тока перехода сверхпроводника в нормальное состояние и обеспечивающего выделение мощности, достаточной для нагрева и перевода управляемого нанопровода в нормальное состояние. При этом соблюдают условие, что величина тока, пропускаемого по переводимому в нормальное состояние сверхпроводнику, не превышает величины тока его возврата из нормального состояния в сверхпроводящее, определяемой по вольтамперной характеристике сверхпроводника, полученной без внешних воздействий на сверхпроводник. Предлагаемый способ может быть использован в создаваемых функциональных переключаемых электронных устройствах различного назначения.
Одно из возможных устройств, демонстрирующих возможности использования способа при создании наноразмерных элементов цифровой логики представлено в патенте RU 2674063 на фиг. 2. Устройство представляет собой параллельно размещенные нанопровода, как содержащие так и не содержащие резистивные элементы. Известное устройство является наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности, поскольку базируется на общих принципах обеспечения функционирования без наличия гальванической связи между переключаемыми элементами.
Однако известное устройство, в том виде, как оно представлено в (RU 2674063) не обеспечивает его возможность функционирования в режиме инвертора.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение является обеспечение возможности функционирования наноразмерного логического устройства в режиме инвертора.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание наноразмерного логического элемента «НЕ» (инвертор) для цифровых устройств с низким энергопотреблением, высоким быстродействием и с отсутствием гальванической связи между переключаемыми элементами.
Для достижения технического результата предложен наноразмерный логический инвертор для цифровых устройств, включающий подключаемые к источнику напряжения параллельно расположенные сверхпроводящие нанопровода, содержащие резистивные участки, при этом, он выполнен из двух параллельно размещенных нанопроводов, содержащих резистивные участки, смещенные относительно друг друга по длине, и второй провод содержит суженный участок, расположенный вблизи резистивного участка первого провода, при этом сопротивление резистивного участка второго провода выбирают из условия протекания в нем тока меньше критического для узкого участка нанопровода при подаче опорного напряжения и выделения на нем достаточного количества тепла, чтобы инициировать переход в нормальное состояние узкого участка соседнего нанопровода другого логического элемента цифрового устройства, но недостаточного для этого при переходе суженного участка второго провода в нормальное состояние.
Отличительными признаками предлагаемого инвертора являются:
- инвертор выполнен из двух параллельно размещенных нанопроводов, содержащих резистивные участки, которые смещены относительно друг друга по длине и второй провод содержит суженный участок, расположенный вблизи резистивного участка первого провода;
- сопротивление резистивного участка второго провода выбирают из условия протекания в нем тока меньше критического для узкого участка нанопровода при подаче опорного напряжения и выделения на нем достаточного количества тепла, чтобы инициировать переход в нормальное состояние узкого участка соседнего нанопровода другого логического элемента цифрового устройства, но недостаточного для этого при переходе суженного участка второго провода в нормальное состояние.
Предлагаемое взаимное расположение нанопроводов и выполненных в них резистивных участков позволяет обеспечить нагрев нужных областей устройства, необходимых для функционирования устройства. Подбор параметров резистивных участков нанопроводов позволяет обеспечить нагрев нужных областей устройства до необходимых температур и функционирование устройства. За счет всей совокупности признаков обеспечивается работа устройства в режиме инвертора без гальванической связи между переключаемыми элементами.
Осуществление перевода сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в нормальное путем его локального нагрева для достижения значения критического тока позволяет работать с наноразмерными функциональными устройствами с большой плотностью элементов и исключить ложные (паразитные) срабатывания соседних элементов от тепловыделяющего элемента, управляющего требуемым сверхпроводящим нанопроводом, так как минимальная мощность, необходимая для надежного управления, сильно зависит от величины зазора между тепловыделяющим элементом и управляемым сверхпроводящим нанопроводом.
Использование для нагрева тепловыделяющего элемента в виде сверхпроводящего нанопровода, гальванически не связанного с подвергаемым воздействию, позволяет избежать необходимость электрического согласования управляющего и управляемых элементов, что особенно важно для многокаскадных функциональных элементов. Кроме того, это позволяет располагать тепловыделяющие элементы как в одном слое с управляемыми сверхпроводниками, так и в разных, что снижает проблемы, связанные с пространственным совмещением элементов, по сравнению со случаем, когда необходимо обеспечить гальваническую связь, кроме того, облегчает создание многослойных устройств, содержащих активные функциональные элементы. Возможность позиционирования управляющего резистивного элемента и управляемого сверхпроводящего участка параллельно друг другу, в соседних слоях друг над другом и/или в одном слое рядом, и/или в соседних слоях с некоторым сдвигом по горизонтали на заданном расстоянии друг от друга позволяет использовать один управляющий резистивный элемент для управления одновременно несколькими управляемыми сверхпроводниками, т.е. выход одного элемента может управлять несколькими следующими логическими элементами без увеличения затрат энергии.
Использование метода переключения нанопровода в нормальное состояние за счет нагрева соседнего сопротивления без гальванической связи между управляющим и управляемым нанопроводом позволяет для многокаскадных устройств сохранить быстродействие, характерное для отдельного элемента, в связи с отсутствием межсоединений между каскадами и характерных для них задержек в R-C цепях (что типично для обычных многокаскадных электронных устройств).
Краткое описание чертежей
На фигуре представлена принципиальная схема наноразмерного логического инвертора для цифровых устройств, где:
g
1 - первый нанопровод, который содержит резистивный участок (сопротивление R), является затвором;
2 - второй нанопровод, являющийся основным, содержит резистивный участок R;
3 - нанопровод (показан пунктиром, принадлежит другому логическому элементу цифровой схемы и может управляться (переключаться) рассматриваемым инвертором без какой-либо гальванической связи между ними).
Осуществление изобретения
Сущность заявляемого устройства поясняется примером его реализации и графическим изображением. На фигуре представлена принципиальная схема логического инвертора.
Пример 1. Устройство в соответствии со схемой, показанной на фигуре, формируется на подложке, например, из кремния, покрытого слоем оксида кремния, или другого диэлектрического материала, например, сапфира. Топологию сверхпроводящих элементов формируют на подложке путем стандартного напыления тонкой сверхпроводящей пленки, например, нитрида ниобия, и последующего травления с применением масок, сформированных доступными методами литографии, например, фото- или электронной или наноимпринт-литографии. Резистивные области могут формироваться по известной технологии, например, в результате воздействия облучения на тонкопленочный нитрид ниобия для его перевода в металлическое состояние.
После формирования первого слоя (комплекса) функционального устройства для увеличения возможностей устройства (быстродействия, распараллеливания операций и т.п.) на него может напыляться диэлектрический слой заданной толщины, например, из оксида алюминия или оксида кремния, на котором посредством выполнения операций, аналогичным операциям, указанным ранее, формируется второй комплекс функциональных устройств. При необходимости, количество таких комплексов, образующих трехмерную многослойную структуру, может быть увеличено. Существенно, что при использовании такого способа управления, не требуется вертикальных межсоединений между различными слоями, содержащими функциональными элементами, что существенно может облегчить изготовление многослойных (трехмерных) процессоров, содержащие активные элементы в различных слоях.
g
Инвертор состоит из двух нанопроводов: первый 1 нанопровод, который содержит резистивный участок (сопротивление R), является затвором. Второй нанопровод 2, являющийся основным, содержит резистивный участок R.
Затвор подключается к источнику напряжения или является выходным нанопроводом других бесконтактных логических элементов. Нанопровод 3, показанный пунктиром, принадлежит другому логическому элементу цифровой схемы и может управляться (переключаться) рассматриваемым инвертором без какой-либо гальванической связи между ними.
Основной канал подключается к источнику напряжения, которое называется опорным напряжением.
Сопротивление R подбираются таким образом, чтобы выполнялись три условия:
o
(I) опорное напряжение создает в сверхпроводящих проводах ток I, меньше критического для узких участков нанопровода;
o
(II) ток I, протекающий через сопротивление R, основного нанопровода выделяет достаточную мощность, чтобы инициировать переход в нормальное состояние узкого участка следующего соседнего нанопровода 3 - управляемого инвертором (например, следующего инверторного каскада в многокаскадном устройстве);
(III) ток I через сопротивление R должен быть недостаточен для прогрева соседнего узкого участка выходного нанопровода 3 и, соответственно, для его перехода в нормальное состояние, если узкий участок нанопровода 2 перейдет в нормальное состояние за счет подачи входного сигнала на затвор.
g
o
Принцип работы инвертора основан на выполнении условий (I), (II) и (III). Пусть входной сигнал отсутствует, ток через R равен нулю и затвор не выделяет тепла (в качестве затвора может быть использован любой пространственно локализованный источник тепла). Тогда по нанопроводу 2 течет ток I, и в нанопроводе 2 узкий участок остается в сверхпроводящем состоянии, при этом на сопротивлении R выделяется достаточная мощность для достижения критической температуры на узком участке управляемого нанопровода 3 следующего каскада. В этом случае в качестве входного и выходного сигналов выступают пространственно-локализованные температурные импульсы (прогрев требуемых управляемых локальных областей управляемых нанопроводов до температуры выше критической, вызывающих их переход в нормальное состояние), обеспечивающие переход управляемых областей сверхпроводящих нанопроводов в нормальное состояние за счет достижения критической температуры при нагреве. Так реализуется одно из состояний инвертора: на входе «0», на выходе «1».
g
После подачи входного сигнала - напряжения или тока на затвор - на сопротивлении R выделяется тепло, которое прогревает соседний узкий участок нанопровода 2, вследствие чего он переходит в нормальное состояние, соответственно, ток в нем падает до значения I, что уже не позволяет ему прогревать соседний узкий сегмент нанопровода 3 следующего каскада, который переходит в сверхпроводящее состояние. Так реализуется второе из состояний инвертора: на входе «1», на выходе «0».
g
Пример 2. Одиночный инвертор может быть изготовлен следующим образом. В качестве исходного материала нанопроводника берется нитрид ниобия (NbN). Методами электронной литографии и плазмохимического травления на диэлектрической подложке из сапфира изготавливаются два идентичных образца нанопроводов. Толщина нанопроводника составляет 5 нм, ширина нанопроводника 200 нм, в местах сужений ширина нанопроводника составляет 100 нм, суммарная длина нанопроводника 2000 нм, длина суженных участков 400 нм. Для формирования резистивных участков, сверху наносится слой электронного резиста ПММА толщиной 240 нм, в котором формируются окна над на суженными участками нанопроводников, которые будут подвергаться воздействию корпускулярного излучения. (Технология преобразования участков нанопроводов из сверхпроводящих в нормальные известна. См. RU 2541679, RU 2645167, RU 2476373, RU 2477902.) В результате формируют резистивный элемент R с номиналом 6 кОм и резистивный элемент R с номиналом 6 кОм
g
o
Величины R и R задают исходя из известного значения опорного напряжения, которое создает в сверхпроводящих проводах ток I, меньше критического для узких участков нанопровода (методика определения критических токов описана в RU 2674063, RU 2694799, RU 2694800).
g
o
o
o
o
o
2
В стартовом состоянии ток через тепловыделяющий элемент затвора 1 R (входной сигнал) равен нулю и в нем не выделяется тепло или ток через него недостаточен для выделения достаточного количества тепла для прогрева соседнего суженного участка нанопровода 2. Управляемый нанопровод 2 подключен к источнику стабилизированного напряжения. При этом в управляемом нанопроводе 2 протекает ток I, определяемый величиной опорного напряжения U и сопротивлением R, интегрированным в нанопровод 2 (I=U/R), который должен быть меньше величины тока его возврата в сверхпроводящее состояние из нормального, определенного на основании измеренной вольт-амперной характеристики. Для R равного 6 кОм и U равного 90 мВ значение тока составляет I=15 мкА. Согласно стандартной методике по определению вольт-амперной характеристики нанопровода 2, было показано, что ток обратного перехода узкого участка нанопровода 2 из нормального состояния в сверхпроводящее составляет 17 мкА. Таким образом, установленный ток I=15 мкА меньше тока обратного перехода узкого участка 17 мкА. Мощность, выделяемая на сопротивлении R нанопровода 2 при этом составляет (I)*R=1.35 мкВт, что достаточно для прогрева узкого участка следующего нанопровода 3, что соответствует состоянию «1» на выходе инвертора.
g
2
При подаче входного сигнала на затвор 1, сопротивление R начинает прогревать узкий участок нанопровода 2 (что соответствует состоянию «1» на входе инвертора), вследствие чего он переходит нормальное состояние и его сопротивление становится равным 4 кОм. В результате возникновения сопротивления в узком участке нанопровода 2, суммарное сопротивление нанопровода 2 становится равным 10 кОм и ток в нем уменьшается до значения I=9 мкА. При токе 9 мкА сопротивление R в нанопроводе 2 не выделяет достаточной мощности для прогрева узкого участка следующего нанопровода 3 (мощность, выделяемая на сопротивлении R нанопровода 2 равна I*R=0.48 мкВт), что соответствует состоянию «0» на выходе инвертора.
g
o
После снятия входного сигнала или из-за уменьшения тока в затворе 1, если он является выходным каскадом предыдущего элемента (что соответствует состоянию «0» на входе инвертора), сопротивление затвора R перестает выделять достаточную мощность для прогрева узкого участка нанопровода 2. Поскольку ток через нанопровод 2 меньше величины тока обратного перехода из нормального состояния в сверхпроводящее, узкий участок нанопровода 2 переходит в сверхпроводящее состояние и ток в нанопроводе 2 восстанавливается до величины I=15 мкА и сопротивление R в нанопроводе 2 способно прогревать узкий участок следующего нанопровода 3, что соответствует состоянию «1» на выходе инвертора.