SemOI transistors:from classical toquantum computing
A. Orlikovsky¹, S. Filippov¹², V. Vyurkov¹², and I. Semenikhin¹
¹Institute of Physics and Technology
Russian Academy of Sciences
Moscow, Russia
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
ФТИАН
mipt
²Moscow Institute of Physics and Technology
Outline
Introduction: a brief review of the history oftransistors
Simulation of fully depleted (FD) extremelythin (ET) SOI FET
Towards SemOI-based quantumcomputers
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
The end of Moore’s ‘law’?
Moore-big
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Micrometer channel length
Nanometerchannel length
Semiconductors
Metals
Where does nanoelectronics startfrom?
TP_tmp
TP_tmp
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Evolution of models
Charged fluid:
Hydrodynamic equations
Charged particles:
Boltzmann kinetic equation
Charged waves:
Schrödinger equation
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
ET FD SOI FET
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
The ETSOI technology (121509ETSOI.jpg)
IBM Gains Confidence in 22 nm ETSOI(IEDM Conf., Dec. 2009)
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Fermi-Dirac statistics.
Transversal quantization in channel:
 
Quantum longitudinal motion:
     a) interference on random impurities;
     b) quantum reflection;
     c) source-drain tunneling.
Quantum effects in nanotransistors
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Silicon conduction band structure
Band structure in transistor channel
Effective mass andtransversal quantizationenergy
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Quantum description
Charged waves:
Schrödinger equation
Transversal quantization
Wave-guide modes in the channel
Landauer-Buttiker formalism
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
High self-consistent barrier at  S/Dcontacts
Few of incident particles surmounting the barrier isfollowed by equilibrium distribution for particles coming inthe channel
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
 
V(x,y,z) is potential.
The direct solution of the stationary 3D Schrödingerequation via a finite difference scheme comes across awell known instability caused by evanescent modes.
In fact, the exponential growth of upper modes
makes a computation impossible.
Solution of 3D Schrödingerequation
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
D.K.Ferry et al. (2005)(USA, Arizona State University):results of simulation
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
D.K.Ferry et al. (2005)(USA, Arizona State University):results of simulation
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Solution of Schrödinger equation:transverse mode representation + some mathematicalmeans
 
where ψi(y,z) is the i-th transverse mode wave function,
is number of involved modes.
The space evolution of coefficients ai(x) is governed by matrix elements
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Calculated transmission coefficientvs. electron energy E
Transistor parameters are 10nm channel length and width, 5nm body thickness,
10^20 cm^-3 source/drain contact doping, 5nm spacers.
[100] and [010] valleys
(small mass along the channel)
 [001valleys
(big mass along the channel)
(4 random impurities in a channel)
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Gate voltage characteristics
Sub-threshold swing is 71 mV per decade of current.
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Corrugated channel:
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Corrugated channel:
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Impurities in channel:
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Impurities in channel:
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Dispersion of characteristics
5-15% in calculated I-V curves
< 10% is an everlasting condition for largeintegrated circuits
More severe demands to technology mayarise.
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Semi-analytical models of FETswith low-dimensional channels
A. Khomyakov (IPT RAS)
Poster P8 at 19-00!
(Conference Abstracts, page 109)
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Quantum Computers
ФТИАН
mipt
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Quantum bits
quantum_bits
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
26
Charge qubits in double quantum dots(DQDs)
sp4_fig02.gif
sp4_fig03.gif
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
27
Solid state implementation
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Gorman et al, PRL, 2005
28
Two phosphorus atoms in silicon
Solid state implementation
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Hollenberg et al, PRB, 2004
29
Solid state implementation
Gate-engineered quantum dots
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Hayashi et al, PRL, 2003
Qubits based on space states
Advantages:
quite simple read-out(measurement offinal state)
explicit initialization
scaling and integritywith modernmicroelectronictechnology
Disadvantages:
strong decoherencecaused byuncontrollableCoulomb interactionbetween even far-distant qubit
decoherence causedby interaction withgates and phonons
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Unavoidable obstacle
strong decoherence caused byuncontrollable Coulomb interactionbetween even far-distant qubit
independent of temperature
quantum calculations seem impossible
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Coulomb interaction
Long range Coulomb interaction
d
D
eˉ
eˉ
eˉ
For      ,                ,    one obtains
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Qubit and its operation
Consists of two doublequantum dots
Electrode Е operatesupon the strength ofexchange interactionbetween electrons.
Electrode Т operatesupon tunnel couplingbetween dots.
E
T
1eˉ
1eˉ
+
+
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Vyurkov et al, PLA, 2010
Basic states in a DQD
Potential in a DQD
Symmetric
Antisymmetric
Electron wave-function in a DQD
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Basic states of two DQDs
Potential in two DQDs
Wave-function of twoelectrons in two DQDs
basis*
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Basic states of a qubit
Spin-polarized electrons:
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Qubit states
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Qubit states
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Distribution of charge in a qubit
Probability density
For region Ω:
Charge in a dot Ω:
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Distribution of charge in a qubit
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Arbitrary qubit states
Arbitrary qubit state
Hamiltonian in matrix representation
Evolution operator
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Initialization
Cooling in magneticfield, positive potentialon gate Т
Transformation
Pumping of electronsalong the chain
electron
electron
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Initialization
Pumpingelectrons from
   a spin-polarizedsource,
   for instance,ferromagnetic
le1_fig02
le1_fig01
Single-electron turnstile
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Decoherence
Particular symmetry makes thequbit insensitive to voltagefluctuations
x
y
poplavok_b_jpg_tx1VMi
Small energy gap between basic states in a DQDsecures against the decoherence on phonons :
deformation acoustic phonons
piezoelectric acoustic phonons
–VT
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Decoherence
‘Frozen’ qubit: only two-phonon processes arepossible,
 Decoherence rate is independent of energy gap
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Read-out
To read-out one must distinguish
 from
An additional electrode by the DQDmakes it possible tunneling of anelectron into first or second dotdepending on the initial state of DQD:or
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Realistic structure
C:\DOCUME~1\F942~1\LOCALS~1\Temp\msohtml1\01\clip_image001.gif
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
SemOI quantum register
Structure-caption
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Potential defined quantum dots
Confinement energy
Coulomb repulsion energy
=>  one electron in a dot
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
How a read-out is possible?
Transistor current
depends on position of
an electron in the
channel
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Compare with Tanamoto et al, PRA, 2000
Summary
The efficient program for 3D all quantumsimulation of field effect nanotransistors iselaborated.
The results of simulation demonstrate theimpact of realistic channelinhomogeneities on transistorcharacteristics.
SOI structure for quantum computation isproposed.
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
Эпилог
С
tunnel_1
Light at the end of the tunnel
Acknowledgements
Russian Foundation for BasicReasearch, grant # 08-07-00486-а
NIX Computer Company(science@nix.ru), grant # F793/8-05
    grant # 14.740.11.0497
rffi_stamp
nix-cut
ministry-of-education-eng
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine
structure
                  for listening!
Thank you
1st Ukrainian-French Seminar and 6th International SemOI Workshop, October 25-29, 2010, Kyiv, Ukraine