Nanoelektronika-Nanotechnológia

Az előadások a következő témára: "Nanoelektronika-Nanotechnológia"— Előadás másolata:

1 Nanoelektronika-Nanotechnológia
Kitekintés Gyulai József 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

2 Nanoelektronika-Nanotechnológia
Indítás Nehéz feladatot adott Mizsei professzor IBM School évtizedeiben csak-csak… Megtanultam azonban néhány alapelvet: A GE nem szeret első lenni – költsenek mások, aztán a brute force A varicap kalandunk A legizgalmasabbakat csak a cég falain belül A flash-memory – Dick Pashley és G. Moore 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

3 Nanoelektronika-Nanotechnológia
Miniatürizálás Arányos kicsinyítés, „Dennard scale down”: az arányosan kicsinyített tranzisztor ugyanúgy viselkedik elektromosan, kivéve a Joule hő fejlődését... A megbízhatóság is fontos elem: minél több intelligenciát kell belezsúfolni a tokba, Elérhető 1010 lépésre egyetlen tévesztés, ami ún. redundáns szervezéssel növelhető "Soft" (nem maradandó) hiba 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

4 A miniatürizálás előnyei
Nem csak a kis fogyasztás, hordozhatóság, hanem megnöveli a megbízhatóságot, mert a chipbe beépített intelligencia nem, vagy csak ritkán téved a tönkremenetel ui. csak nemkívánatos atomi mozgásokból eredhet (magas helyi hőmérséklet) váratlan baj: ionizáló részecske-becsapódás, akár a tok anyagából! "Soft error" vagy "Single Event Upset, SEU", mert nem destruktív hiba… védekezés: kerámia tok, redundancia, ismétléses kontroll 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

5 Nanoelektronika-Nanotechnológia
Az öregedés Nemkívánatos atomi mozgásokkal függ össze. Főleg helyi melegedések okozzák. Jól tervezett áramkörnél ennek az esélye minimális. A mikroelektronika anyagainak olyan tökéleteseknek kell lenniük, hogy pl. egy néhány elemi cella vastagságú szigetelő oxidrétegben elhelyezett kis szilícium-szigetre „alagutaztatott” egy-két elektron akár évtizedig ott marad! 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

6 Csúcskövetelmények – ipari méretekben
Szeletméret ma mm, ezen készül párezer chip, bennük milliárd tranzisztorral, vezetékkel, kivezetéssel A szilícium alapanyagban ~10 cm2-ként lehet csak egy-egy diszlokáció Szilícium-szilíciumoxid határfelület: minden tízezredik atomnál lehet egy-egy rácshiba, lépcső Az oxid alatti tértöltési rétegben kell 1-2 bóratom, de nem több – statisztikus hiba sem lehet! Fotolitográfia nm-es (¼ λ!) felbontás 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

7 A gazdaságosság beleszól
Gyártósor tervezésének kulcseleme az átbocsátóképesség: Ez 1 szelet/perc volt kezdetektől, A szeletátmérőtől függetlenül! Ez választást is jelenthet a technológiák között: ha a művelet időigénye nagyobb, mint 1 szelet/perc: többszeletes (párhuzamos) megmunkálás kell A nanoelektronika fejlesztésében gyakori egyetlen eszköz „kifaragása” pl. pásztázó szondás eljárásokkal, de ez ritkán válik „iparrá”, ill. Az iparrá váláshoz az kell, hogy sikerüljön olyan (ez már kémia, biokémia?) eljárást találni, amely lokálisan, preferáltan támad, több elemet alakit egyszerre 2017.tavasz 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia Nanoelektronika-Nanotechnológia

8 Nanoelektronika-Nanotechnológia
A ”Moore törvény” A Fairchildból kivált Intel kezdeti sikerének „titka”: az anyacégnél kidolgozott technológiai higiéne. Ezzel elsőként tudtak egyetlen chipen növekményes (külső feszültség nélkül nyitott ), ill. kiürítéses (zárt) tranzisztorpárt gyártani „évente kétszer annyi elem egyetlen chipen” „Talán a hetvenes évek végéig sikerül…” – mondta, írta Gordon Moore (Fig.2., Electronics, 38(8), apr.19,1965) Generikus törvény született, ami – szerintem – inkább üzleti, semmint technológiai! International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS: négy évenkénti tanulmány, kétévenként korrekció 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

9 Another, recent example from ITRS: Difficult technology tasks, 2013:
(Lithography challenges) 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia 9

10 Nanoelektronika-Nanotechnológia
A ”Moore törvény” Tehát generikus törvény született 1965-ben, amit inkább üzleti, semmint technológiainak tartottam. A konkurencia fellépte is sorsa lett Moore-nak: A Theodore Wright’s Law (1936) megjelent újfent az irodalomban: A termelési költség exponenciálisan csökken a „kumulatív” gyártás szempontjainak függvényéban („cost decreases as a power law of cumulative production”) Santa Fe Institute (SFI) working paper Statistical Basis for Predicting Technological Progress, Bela Nagy,  J. Doyne Farmer, Quan M. Bui, and Jessika E. Trancik)   62 ipari termékre vizsgálta meg, hat esetében teljes analízist végeztek. Állítják, hogy a Wright’s Law a legjobb közelítés, de a Moore’s Law is közel áll ehhez, mind „low” és „high tech” termékekre egyaránt Én nem látom az egzakt voltát egyiknek sem, sőt, üzleti stratégiát se alapoznék ekkora eltérésre. 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

11 Megbízhatóság (Swiss Fed. Labs for Matls Testing and Res.)
A nem-skálázó fizikai folyamatok tömeg és hődiffúzió, elektromos vezetőképesség, reakciókinetika, korróziós folyamatok, stb. Fáradás, súrlódás, fáradás javítási mechanizmusok mások az atomi és molekuláris léptékben. Redundancia, a kvantumállapotok korrelációja is kvantumstatisztika- és hulláminterferencia-függő Modellezés, kutatásigényes Hibatűrő megoldások igénye 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

12 Moore ”törvény” ma és a közeljövőben
Vita, hogy az arányos kicsinyítés működik-e 2020-ig… Egyszerű 2D-módon nem, de kilépve a 3D-be definiálható az érvényesség A szilíciumon ül egy átok: nem lehet belőle lézert készíteni, a nanokristályok fotonikai tulajdonságai segítenek… A Roadmap hangsúly-változása: együtt kell fejlődnie a memóriának, processzornak a rendszer egyéb elemeivel: főleg a telekommunikáció és a szenzorika-beavatkozók eszközeivel 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

13 A Moore-on túl – heterogén integráció
More Moore – digitális számítógép CMOS Memória More than Moore – érzékelés, telekapcsolat, nem-digitális részegységek RF HV passzív elemek szenzor, aktuátor bio, fluidika 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

14 Nanoelektronika-Nanotechnológia
2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

15 Nanoelektronika-Nanotechnológia
(PROCESS INTEGRATION, DEVICES, AND STRUCTURES Emerging Research Devices Resistive... – Ovshinsky? 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

16 SCM: Storage Class Memory
MLC Multi/level Cell, STT Spin-transfer torque... PC Phase change... SCM: Storage Class Memory 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

17 "Klasszikus" CMOS-tól a "CMOS-on túli" felé
A klasszikus fejlesztése (90nm-ig) ultravékony SOI – Silicon-On-Insulator szeleten átmenő kontaktus nagy és kis dielektromos állandó Nem-klasszikus (45-23 nm, ) 3D integráció Több kapus tranzisztorok RF chipen belüli forgalom Új modulok (22-15 nm, ) nanovezeték, nanocső optikai forgalom a chipen belül CMOS-on túli új eszközök, architektúrák (2018 után?) Molekuláris eszközök spin eszközök molekuláris komputer kvantumkomputer 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

18 Nanoelektronika-Nanotechnológia
Továbblépés keresése A mai IC-technológia rejtett lehetőségei Hővezetés optimálás Csökkentett hőmérsékleti működtetés Optikai csatolás a chipen Más digitális rendszerek felé Spintronika Plazmonika Lemondás a von Neumann elvről, feladatra optimált gép 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

19 Nanoelektronika-Nanotechnológia
Továbblépés keresése Új anyagok A preparatív technológiák tökéletessége atomi tervezést tesz lehetővé, (következő ábrák) 1D-, 2D-anyagok 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

20 Kémiai rétegleválasztás CVD (Chemical Vapor Deposition)
CVD folyamatok módszerei - Atmoszferikus (APCVD) Alacsony nyomású (LPCVD) Ultranagyvákuum (UHVCVD) Plazmával segített (PECVD) Atomi réteg (ALCVD) Gőzfázisú (VPE) MOCVD, „precursor”, MBE-versenytárs 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia 20

21 Molekulasugaras epitaxia
Alacsony sebességű vákuum-párologtatás ultranagy-vákuum környezetben Ipari termelésben az MoCVD 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia 21

22 Rétegeltávolító műveletek
Folyadék-, gázfázisú, ill. plazmás eljárások Izotróp (a legtöbb folyadékfázisú kémiai) és anizotróp (plazmás, ionos) változatok Specifikus eljárások (ha nagyságrenddel eltér a marási sebesség, mint...) Anyagfajtára Adalékkoncentrációra Kristályorientációra érzékenyek Különösen fontosak ez utóbbiak a mikroelektromechanikai, MEMS megoldásoknál 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia 22

23 Nanoelektronika-Nanotechnológia
Nanomegmunkálás fokuszált ionnyalábbal, és vezérelt CVD-vel (LEO gym., MFA-ban) MFA rekord: 20nm pórus FIB – DNS átfért rajta, „Pungor Ernő díj”, Gyurcsányi Róbert , BME 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

24 Nanoelektronika-Nanotechnológia
1D anyagok CNT Ag2S (BME) 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

25 Út a nanocső felé – a véletlen 210 MeV-es neon ionokkal bombáztunk
Dubna vs. CERN Jeszenszky Géza – 150 k$/év Alapkutatásra gondoltam: rácshibák nagy energián… nanocső lett belőle 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

26 Nanoelektronika-Nanotechnológia
Az MFA mai nanokutatásai: Szén nanocsövek, különlegesség 5- és 7-tagú gyűrűk beépítésével Spirál Y- alak Biró L.P., Márk G.,… (MFA), J.B. Nagy (Namur) 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

27 Nanoelektronika-Nanotechnológia
2D anyagok Grafén MoS2 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

28 Grafén – az új „izgalom”
Pásztázó szondák, MFA: „plazmapisztoly” Junior Prima-díj 2008: Tapasztó Levente, MFA 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

29 Nanoelektronika-Nanotechnológia
Grafén alakítása (Biró L.P. és mtsai, Nemes-Incze Péter, Junior Prima díjas, 2011) 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

30 Nanoelektronika-Nanotechnológia
Mágnességvezérelt félvezető-fémes átmenet zigzag graféncsíkban; gate-vezérlés Vancsó P., Hagymási I., Tapasztó L. 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

31 Nanoelektronika-Nanotechnológia
Memristor, Leon Chua, 1971 Az ötlet a szimmetria-meggondolásokból ered: a negyedik fajta eszköz (ábra a wikipediából) Az eszköz gyorsan kapcsol alacsony és nagyellenállsáú állapot között – az áram irányától függően Millió-szám képes kapcsolni Atomi szintű állapotváltozás Megbízhatóság? 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

32 "Nanodrót" átvezetések, fantomkép
ZnO nanokristályok – energiaforrás, „energy harvesting”, Volk J., MFA 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

33 Nanoelektronika-Nanotechnológia
2D- anyagok, MoS2 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

34 A kutatás „forró” területei - példák
Komputer-távközlés Hordozható eszközök Viselhető (Wear-on) Szórt (Ambience) intelligencia (intell car, intelligens „homok”) Akusztikai eszközök Érzékelők/beavatkozók forradalma Akár biológiai anyagok is… Közlekedés automatizálása Mikro- és nanotechnológia „Energy harvesting” – energiaforrások Világítás forradalma Világító dióda (LED), Organikus LED EU anyagkutatást vonzó prioritásai: „Energy efficient buildings”, „Green car”, „Factory of the future” 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

35 Nanoelektronika-Nanotechnológia
14 nm-es technológiával készült Intel processzor, helyett tavalyi hír 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

36 Nanoelektronika-Nanotechnológia
14 nm-es technológiával készült Intel processzor, 2022 helyett 2014-ben 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

37 Nanoelektronika-Nanotechnológia
Termelésbe lépés késése az én életemben: a 100nm tranzisztor, Cornell 1986→2000 ipari termék azaz a következő évtized ipari eszközének már itt kell(ene) lennie 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

38 Nemfelejtő memória jövőkép
3D irányban az emeletes szerkezetek, NAND és NOR kapuk a „Flash memory” skálázása 12 nm half-pitch-csel rendben van 2028-ig Kutatást igényel a magnetic/spin torque és a resistive eszközök (memristor) A megbízhatóság nehéz a komplex szerkezetek miatt: a hibamechanizmusok ui. nagyon eltérőek tranzisztorok, ill. a vezetékek stb. esetén. Feltehető, hogy szükség lesz pl. optikai vagy szénalapú vezetékekre 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

39 What is known on 3D Xpoint?
2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

40 Kvantumkomputer – spintronika (Courtesy of D. Jamieson, Melbourne)
2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

41 Nanoelektronika-Nanotechnológia
A kvantumkomputer A „qubit” kvantummechanikai fogalom, amely összekapcsolt részecskéket jelöl. Az öt fluor és a két szén hét qubitje képes 15-öt faktorizálni: 3.5=15 Rádióhullámok indítják a gépet, NMR olvassa ki az eredményt 2012: Szupravezető qubit stabilizálás (10 μs), Si-technológiával! 2015: négy qubit, IBM IBM Research Dicarbonylcyclopentadienyl (perfluorobutadien-2-yl) iron (C11H5F5O2Fe ) (ill. pentafluorobutadienyl cyclopentadienyldicarbonyl-iron complex) 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

42 Vegyületfélvezetők előnyei, prespekívái, eszközök
Nagy tilos sáv, lehet ún. sávtervezés, „bandgap engineering” gyorsabbak, magasabb hőmérsékletig alkalmazhatók, létrejöhet sokukban sugárzásos rekombináció is, azaz lézerdiódának is alkalmasak: Lézerek – diódák (A3B5, ternér, kvaternér is) híradástechnikában GaN – a világítás forradalma SiGe a Si-vel, esetleg InGaAs – Smart cut-tal SiC – magas hőmérsékletekre A2B6, stb., félvezetők – napelem, De árban nem tudnak versenyezni a Si-mal 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

43 A gazdaságosság beleszól, 2
Az új irányok, technológiák sikerének alapkritériuma, hogy azok megvalósíthatók legyenek lényegében a meglévő gyártósoron – némi fejlesztéssel, építéssel Emiatt is jöttek létre a foundry-k Elmúlt az az idő, amikor – mint az én életemben – egy egyetemi tanszékről is bele lehetett szólni a fővonal dolgaiba Maradnak a periferikusnank látszó újdonságok, amelyek közül pár százalék válik termékké Kívülről jött ötleteknek, irányoknak meg kell küzdeniük a klasszikus technológia versenyével is 2017.tavasz 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia Nanoelektronika-Nanotechnológia

44 A gazdaságosság beleszól, 3
A szabadalmak kérdése: Szerintem igazán nagy ötletet, ha be is jelentik szabadalomnak, másként kell megvédeni, mert megkerülik, bitorolják Bob Bower… A titkolás a legeredményesebb 2017.tavasz 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia Nanoelektronika-Nanotechnológia

45 A nanotechnológia – gondjaim, I
Az emberiség termeléssel és logisztikai elosztással dolgozik – milyen lesz a nanogyár? Minőségellenőrzés Ma: az ún. Total Quality Management, TQM, a cél, A biorendszerek "minőségellenőrzése" az evolúció: a ön-reprodukció, a véletlen mutációk (ez a "majdnem selejt"), a 'minőség' a természetes kiválogatódás révén A nanotechnológiai analóg nincs kitalálva Lehet-e a minőségellenőrzés valamiféle 'gyorsított evolúció'? A mai, pl. gyógyszergyártási minőségellenőrzése nem lehet elég pl. a kvantumkomputer "gyártásához": nem maradhatnak inaktív, nem szenzibilizált molekulák, térben szervezetten kell létrejönniük (megtalálható – címezhető) 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

46 Biomimetikus rendszerek
A XXI. század "biológiája" jobban fog hasonlítani a XX. század fizikájára, kémiájára, mint az akkori-mai biológiára Az a szójárás tehát, hogy "a XX. volt a fizikáé, a XXI. a biológiáé" – így értelmetlen De: a fizikának agresszíven bele kell vonulnia az interdiszciplinákba és nem visszahúzódnia pl. a részecskefizikába, asztrofizikába – mint tartósabban "saját" területekre... 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

47 Mérnöki gondolkodás a biológiában - kevesebb antropomorfizmus
Pl. a stressz protein Megtalálja a sérült fehérjét, hogyan? „megméri” a nm-es torzulásokat, hogyan? Átadja a saját testének egy részét – milyen energetika vezérli? Tudjuk, csak atomi erők szerepelhetnek Én mindezek fizikai, atomisztikus megértését tekintem a biológia új életének 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia

48 El tudjuk-e tanulni ezt a bottom up "gyártást"?
A forgómozgás és az evolúció E.Coli baktérium csillója ford./perc, proton-ugrás, nanomotor Adenotrifoszfát, ATP, átalakítása nanomotorrá (Cornell) El tudjuk-e tanulni ezt a bottom up "gyártást"? 2017.tavasz Nanoelektronika-Nanotechnológia