НАНОРАЗМЕРНОЕ ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
NANOSIZED LOGICAL DEVICE

Область техники
Изобретение относится к полупроводниковой микроэлектронике и наноэлектронике и может быть использовано при создании логических интегральных схем с элементами нанометровых размеров.
Уровень техники
Известен логический элемент ИЛИ-НЕ на полевых транзисторах, содержащий источник питающего постоянного напряжения, общая шина которого заземлена, параллельно соединенные два полевых транзистора с индуцированными каналами n-типа, истоки и подложки которых заземлены, а выводы затворов образуют первый и второй входы относительно «земли» логического элемента ИЛИ-НЕ (RU 2693298). Также имеется третий полевой транзистор, но с индуцированным р-каналом, подложка которого соединена с его истоком, введены пять резисторов и дополнительный полевой транзистор, а также изменено включение элементов, первый резистор включен между выходом источника питающего постоянного напряжения и общим выводом истока и подложки третьего полевого транзистора, последний общий вывод соединен с общим выводом стоков параллельно включенных первого и второго полевых транзисторов, второй резистор включен между стоком третьего полевого транзистора и выводом выхода относительно «земли» логического элемента ИЛИ-НЕ. Последовательно между собой включены третий резистор, дополнительный полевой транзистор с индуцированным каналом n-типа и четвертый резистор, свободный вывод третьего резистора подсоединен к общему выводу первого резистора и выхода источника постоянного питающего напряжения, также общий вывод этого третьего резистора и стока дополнительного транзистора соединен с затвором третьего полевого транзистора, а затвор дополнительного полевого транзистора подключен к общему выводу второго резистора и стока третьего полевого транзистора. Подложка дополнительного полевого транзистора соединена с его истоком, свободный вывод четвертого резистора соединен с общим выводом второго резистора и вывода выхода логического элемента ИЛИ-НЕ, пятый резистор включен между «землей» и общим выводом третьего резистора, затвора третьего полевого транзистора и стока дополнительного полевого транзистора. Недостатком известного устройства является низкая степень интеграции логических функций на кристалле и достаточно высокий уровень потребляемой мощности.
Известен интегральный логический элемент ИЛИ-НЕ на основе однослойной трехмерной наноструктуры, содержащий первый и второй логические транзисторы и подложку (RU 2589512). Логическая структура элемента ИЛИ-НЕ выполнена наноразмерной, область I типа проводимости, которая является анодом нагрузочного диода, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 3 нм на изолирующей подложке высотой не менее 3 нм. Область II типа проводимости, которая является катодом нагрузочного диода и коллектором первого логического транзистора, и коллектором второго логического транзистора, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 3 нм на изолирующей подложке и имеет непосредственный контакт с областью I типа проводимости. Область I типа проводимости, которая является базой первого логического транзистора, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 3 нм на изолирующей подложке и имеет непосредственный контакт с областью II типа проводимости, которая является общим эмиттером первого и второго логических транзисторов, область I типа проводимости, которая является базой второго логического транзистора, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 3 нм на изолирующей подложке и имеет непосредственный контакт с областью II типа проводимости, которая является эмиттером первого логического транзистора и эмиттером второго логического транзистора. Область II типа проводимости, которая является эмиттером первого логического транзистора и эмиттером второго логического транзистора, сформирована в виде нанослоя высотой не менее 3 нм на изолирующей подложке.
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 представлен в (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 логического устройства «ИЛИ».
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение является обеспечение возможности функционирования наноразмерного логического устройства в режиме логического устройства «ИЛИ».
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание наноразмерного логического устройства «ИЛИ» для цифровых схем с низким энергопотреблением, высоким быстродействием и с отсутствием гальванической связи между переключаемыми элементами.
Для достижения технического результата предложено наноразмерное логическое устройство, включающее подключаемые к источнику напряжения параллельно расположенные сверхпроводящие нанопровода, содержащие резистивные участки, при этом, оно содержит основной нанопровод с резистивным участком и двумя последовательно расположенными суженными участками вблизи каждого из которых расположен резистивный участок одного из двух нанопроводов-затворов, а также расположенный параллельно основному нанопроводу выходной нанопровод, содержащий суженный и резистивный участки, при этом его суженный участок расположен вблизи резистивного участка основного нанопровода, а сопротивления резистивных участков затворов подбираются таким образом, чтобы при установленном токе через основной нанопровод мощность, выделяемая на любом из резистивных участков нанопроводов-затворов была бы достаточной для прогрева соседнего ему суженного участка основного нанопровода для инициирования его перехода в нормальное состояние, а величина тока в основном нанопроводе в случае, когда его узкий участок находятся в сверхпроводящем состоянии должна быть меньше величины критического тока для суженных участков основного нанопровода, при этом мощности, выделяемой на резистивном участке основного нанопровода - достаточно для прогрева соседнего суженного участка выходного нанопровода для его перехода в нормальное состояние, а в случае, когда один или два суженных участка основного нанопровода находятся в нормальном состоянии вследствие их прогрева за счет тепла от двух или одного затворов, мощности, выделяемой на резистивном участке основного нанопровода - недостаточной для прогрева соседнего участка выходного нанопровода для его перехода в нормальное состояние, при этом сопротивление резистивного участка выходного нанопровода выбирают из условия протекания в нем тока меньше критического для суженного участка выходного нанопровода при подаче опорного напряжения и выделения на нем достаточного количества тепла чтобы инициировать переход в нормальное состояние суженного участка соседнего нанопровода следующего логического элемента, но недостаточного для этого при переходе суженного участка выходного нанопровода в нормальное состояние.
Отличительными признаками наноразмерного логического устройства являются:
- наличие основного нанопровода с резистивным участком и двумя последовательно расположенными суженными участками вблизи каждого из которых расположен резистивный участок одного из двух нанопроводов - затворов;
- наличие расположенного параллельно основному нанопроводу выходного нанопровода, содержащий суженный и резистивный участки;
- выходной нанопровод установлен так, что его суженный участок расположен вблизи резистивного участка основного нанопровода;
- величины сопротивления резистивных участков затворов подбираются таким образом, чтобы при установленном токе через основной нанопровод мощность, выделяемая на любом из резистивных участков нанопроводов - затворов была бы достаточной для прогрева соседнего ему суженного участка основного нанопровода для инициирования его перехода в нормальное состояние, а величина тока в основном нанопроводе в случае, когда его суженный участок находятся в сверхпроводящем состоянии должна быть меньше величины критического тока для узких участков основного нанопровода;
- величина сопротивления резистивного участка основного нанопровода подбирается так, чтобы мощности, выделяемой на нем была достаточной для прогрева соседнего суженного участка выходного нанопровода для его перехода в нормальное состояние, а в случае, когда один или два узких участка основного нанопровода находится в нормальном состоянии вследствие их прогрева за счет тепла от двух или одного затворов, мощности, выделяемой на резистивном участке основного нанопровода- недостаточной для прогрева соседнего участка выходного нанопровода для его перехода в нормальное состояние;
- сопротивление резистивного участка выходного нанопровода выбирают из условия протекания в нем тока меньше критического для суженного участка выходного нанопровода при подаче опорного напряжения и выделения на нем достаточного количества тепла чтобы инициировать переход в нормальное состояние суженного участка соседнего нанопровода следующего элемента, но недостаточного для этого при переходе суженного участка выходного нанопровода 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 инвентора 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 устройства, где:
g1
1 - первый затвор с резистивным участком (сопротивление R);
g2
2 - второй затвор с резистивным участком (в нанопровод встроено сопротивление R);
3 - основной нанопровод с резистивным участком (в нанопровод встроено сопротивление R);
4 - выходной нанопровод с резистивным участком (в нанопровод встроено сопротивление R).
Осуществление изобретения
Сущность заявляемого устройства поясняется примером его реализации и графическим изображением.
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.
Все нанопровода заявляемого логического устройства расположены параллельно друг другу. При этом они могут быть размещены либо в одной плоскости, либо в разных плоскостях, в зависимости от топологии цифровой схемы, в которой логический элемент используется.
Логический элемент ИЛИ состоит из четырех нанопроводов:
g1
g2
- первый затвор затвор 1 с резистивным участком (сопротивление R), второй затвор 2 с резистивным участком (в нанопровод встроено сопротивление R);
- основной нанопровод 3 с резистивным участком (в нанопровод встроено сопротивление R) и выходной нанопровод 4 с резистивным участком (в нанопровод встроено сопротивление R).
Затворы 1 и 2 подключаются к источнику напряжения или являются выходными нанопроводами других бесконтактных логических элементов.
Основной канал 3 подключается к источнику постоянного (опорного) напряжения.
Выходной нанопровод 4 подключается к источнику постоянного (опорного) напряжения.
Сопротивления R подбираются таким образом, чтобы выполнялись три условия:
o
(I) опорное напряжение создает в сверхпроводящих проводах 3 и 4 ток I, меньше критического для суженных участков нанопровода;
o
(II) ток I, протекающий через R, выделяет достаточную мощность, чтобы инициировать переход в нормальное состояние суженного участка следующего соседнего нанопровода 4 - выходного нанопровода;
(III) Если один из суженных участков нанопровода 3 перейдет в нормальное состояние за счет подачи входного сигнала на один из затворов, то в этом суженном участке возникнет сопротивление и ток через нанопровод 3 упадет до значения I, поскольку нанопровод 3 подключен к источнику опорного напряжения. Третьим условием подбора величины сопротивления суженного участка нанопровода в нормальном состоянии является: ток 7 через сопротивление R должен быть недостаточен для прогрева соседнего суженного участка выходного нанопровода (4) и, соответственно, для его перехода в нормальное состояние.
1
2
Сопротивления Rg и Rg подбираются таким образом, чтобы выполнялось условие: при установленном токе через выходной нанопровод 3 мощность, выделяемая на любом из затворов была бы достаточной для прогрева соседнего суженного участка нанопровода 3 и инициировало его переход в нормальное состояние.
o
Принцип работы элемента ИЛИ состоит в следующем. Если ни на один из затворов не подается входной сигнал, то суженные участки нанопровода 3 находятся в сверхпроводящем состоянии, ток через нанопровод 3 равен I, и, соответственно, суженный участок выходного нанопровода 4 находится в нормальном состоянии и ток через выходной нанопровод составляет I, в связи с чем сопротивление R выходного нанопровода не может прогреть суженный участок следующего нанопровода (на рисунке не показан). Так реализуется одно из состояний элемента ИЛИ:
- на входе в первый затвор «О», на входе во второй затвор «0», на выходе «0». Нулевое состояние на выходе понимается как неспособность сопротивления R, встроенного в выходной нанопровод, прогреть следующий участок соседнего элемента.
g1
2
o
После подачи сигнала на один из входов (первый или второй затворы), на сопротивлении R или Rg выделяется тепло, которое прогревает соседний суженный участок нанопровода 3, вследствие чего он переходит в нормальное состояние, соответственно, ток в нанопроводе 3 падает до величины I, вследствие чего сопротивление R, встроенное в нанопровод 3, не может прогреть соседний суженный участок выходного нанопровода 4, который переходит в сверхпроводящее состояние. Ток в выходном нанопроводе 4 возрастает до величины I, вследствие чего на сопротивлении R выходного нанопровода выделяется мощность, достаточная для прогрева суженного участка соседнего нанопровода следующего каскада (на рисунке не показан). Так реализуется два других состояния элемента ИЛИ:
- на входе в первый затвор «1», на входе во второй затвор «0», на выходе «1»;
- на входе в первый затвор «0», на входе во второй затвор «1», на выходе «1».
Если на оба входа будет подаваться входной сигнал, то оба суженных участка нанопровода 3 перейдут в нормальное состояние, ток через нанопровод 3 упадет еще ниже значения I, и, соответственно, не будет прогреваться суженный участок нанопровода 4 и выходной нанопровод 4 сможет прогревать соседний суженный участок следующего элемента (состояние «1»). Так реализуется еще одно состояние элемента ИЛИ:
- на входе в первый затвор «1», на входе во второй затвор «1», на выходе «1».
Состояние «1» на выходе понимается как способность сопротивления R, встроенного в выходной нанопровод, прогреть следующий участок соседнего элемента.
g1
g2
Пример 2. Одиночное наноразмерное логикческое устройство может быть изготовлено 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, резистивный элемент R с номиналом 6 кОм и резистивные элементы 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).
g1
g1
o
o
o
o
o
2
2
В стартовом состоянии ток через тепловыделяющий элементы затвора 1 R и затвора 2 R (входные сигналы) равны нулю и в них не выделяется тепло или ток через них недостаточен для выделения достаточного количества тепла для прогрева соседнего суженного участка нанопровода 3. Управляемый нанопровод 3 подключен к источнику стабилизированного напряжения. При этом, в управляемом нанопроводе 3 протекает ток I, определяемый величиной опорного напряжения U и сопротивлением R, интегрированным в нанопровод 3 (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 3, было показано, что ток обратного перехода узкого участка нанопровода 3 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 3 при этом составляет (I)*R=1.35 мкВт, что достаточно для прогрева узкого участка следующего нанопровода 4. Управляемый нанопровод 4 подключен к источнику стабилизированного напряжения. При этом, поскольку его узкий участок прогревается расположенным рядом резистивным участком нанопровода 3, в управляемом нанопроводе 4 протекает ток I, определяемый величиной опорного напряжения U, сопротивлением R, интегрированным в нанопровод 4, и сопротивлением узкого участка нанопровода 4 в нормальном состоянии, которое равно 4 кОм. Значение тока через нанопровод 4 составляет I=90 мВ/(6 кОм+4 кОм)=9 мкА. Тепловая мощность, выделяемая на резистивном участке нанопровода 4 составляет I*R=0.48 мкВт и ее не хватает для прогрева соседнего узкого участка следующего нанопровода, что соответствует состоянию «0» на выходе наноразмерного логического устройства.
g1
g2
g1
g2
o
o
o
2
2
При подаче входных сигналов на один или оба затворы 1 и затвор 2 (что соответствует состоянию «1» на одном или двух входах), тепловая мощность, выделяемая на сопротивлении R или R начинает прогревать узкие участки нанопровода 3, расположенные напротив сопротивлений затворов R или R, вследствие чего они переходит нормальное состояние и их сопротивление становится равным 4 кОм. В результате возникновения сопротивления в одном (или двух) из узких участков нанопровода 3, суммарное сопротивление нанопровода 3 становится равным 10 кОм (если сигнал подается на один затвор) или 14 кОм (если сигнал подается на оба затвора) и ток в нем уменьшается до значения I=9 мкА (или I=6.4 мкА). При токе 9 мкА (или 6.4 мкА) сопротивление R в нанопроводе 3 не выделяет достаточной мощности для прогрева узкого участка следующего нанопровода 4 (мощность, выделяемая на сопротивлении R нанопровода 3 равна I*R=0.48 мкВт (или 0.25 мкВт)), в связи с чем узкий участок нанопровода 4 переходит в сверхпроводящее состояние и ток через нанопровод 4 возрастает до величины I=15 мкА (I=U/R). Тепловая мощность, выделяемая на сопротивлении R нанопровода 4 составляет (I)*R=1.35 мкВт, что достаточно для прогрева узкого участка следующего нанопровода, что соответствует состоянию «1» на выходе наноразмерного логического устройства.
g1
g2
o
После снятия обоих входных сигналов или из-за уменьшения тока в затворе 1 и в затворе 2, если они являются выходными каскадами предыдущего элемента (что соответствует состоянию «0» на одном или двух входах наноразмерного логического устройства), сопротивления затвора R и R перестают выделять достаточную мощность для прогрева узких участков нанопровода 3. Поскольку ток через нанопровод 3 меньше величины тока обратного перехода из нормального состояния в сверхпроводящее, узкий участок нанопровода 3 переходит в сверхпроводящее состояние и ток в нанопроводе 3 восстанавливается до величины I=15 мкА и сопротивление R в нанопроводе 3 способно прогревать узкий участок следующего нанопровода 4, вследствие чего ток в нанопроводе 4 падает до величины I и сопротивление R нанопровода 4 не прогревает узкий участок следующего нанопровода и таким образом наноразмерное логическое устройство возвращается в состояние «0» на выходе.