Наноэлектроника – достижения и перспективы

Наноэлектроника – достижения и перспективы

Термин «наноэлектроника» относительно новый и пришел на смену более привычному для старшего поколения термину «микроэлектроника», под которым понимали передовые для 60-х годов технологии полупроводниковой электроники с размером элементов порядка одного микрона

Однако наноэлектроника связана с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами элементов на порядки меньше, не превышающими 100 нм, а иногда и 10 нм.

Уже в 70–80 годы в полупроводниковую технику вошли такие наноразмерные структуры как гетеропереходы, сверхрешетки, квантовые ямы и квантовые точки, синтезируемые на основе многокомпонентных соединений изменяющегося состава. Для их создания были разработаны соответствующие технологические процессы, представляющие собой логическое развитие и совершенствование полупроводниковой классики: эпитаксии, диффузии, имплантации, напыления, окисления и литографии. В производство электронных компонентов стали внедряться такие технологии, как молекулярно-лучевая эпитаксия, ионно-плазменная обработка, ионно-лучевая имплантация, фотонный отжиг и многие другие.

Метод сканирующей туннельной микроскопии,изобретенный в начале 80-х, основан на квантовом туннелировании. Иглы-зонды из металлической проволоки подвергаются предварительной обработке (такой, как механическая полировка, скол или электрохимическое травление) и последующей обработке в сверхвысоковакуумной камере. Если приложить напряжение между иглой и образцом, то через промежуток потечет туннельный ток. Приложив несколько большее, чем при сканировании, напряжение между поверхностью объекта и зондом, можно добиться того, что к зонду притянутся один или несколько атомов, которые можно поднять и перенести на другое место. Прикладывая к зонду определенное напряжение, можно заставить атомы двигаться вдоль поверхности или отделить несколько атомов от молекулы. Именно так была в 1990 году сделана знаменитая надпись IBM из 35 атомов ксенона.

В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, с помощью атомно-силового микроскопа можно исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности. Кроме того, с помощью атомно-силового микроскопа можно изучать взаимодействие двух объектов: измерять силы трения, упругости, адгезии, и, так же, как и с помощью туннельного, перемещать отдельные атомы, осаждать и удалять их с какой-либо поверхности.

Следующим открытием, по мнению многих ученых, определившим облик электронных схем будущего, стало появление нанотрубок и графена.

Графен рассматривается как первый кандидат для применения в компьютерах, мониторах, солнечных батареях и гибкой электронике. В новом докладе «Углеродные нанотрубки и графен в прикладной электронике в 2011–2021 годах» IDTechEx прогнозирует, что УНТ и графеновые транзисторы станут доступными на рынке, начиная с 2015 года. По словам IDTechEx широкого применения оба материала найдут в печатной и потенциально печатной электронике, где стоимость этих устройств, которые частично будут включать эти материалы, будет достигать более $ 44 млрд в 2021 году.

Уже сейчас микроэлектронной промышленностью в опытном порядке создаются транзисторы с размером рабочих элементов 20–30 нм. Они еще способны работать с обычными электрическими сигналами.

Первые работающие прототипы нанотранзисторов созданы еще 10 лет назад. В 2001 г. IBM представила первый одноэлектронный транзистор на базе нанотрубок. По мнению специалистов из IBM Research, в идеале нанотрубкой в таком транзисторе будет заменяться только элемент доступа. При этом исток, сток и сама архитектура транзистора остаются без изменений. Одна из особенностей нанотранзистора заключается в улучшенной емкостной связи между нанотрубкой и затвором, которая усиливает донорство как электронов, так и дырок, а также распространение заряда вдоль нанотрубки на большие расстояния.

Проводящий канал транзистора (остров) отделён от стока истока туннельными барьерами из тонких слоёв изолятора, при этом размеры острова – 10 нм. Важной особенностью этого транзистора является то, что он функционирует при комнатной температуре, а, как известно, быстродействие и размеры компьютерных микросхем ограничены тем, сколько теплоты они выделяют. Это явление носит название резистивного нагрева.

Еще одной областью, в которой старые методы уступают место нанотехнологиям, является создание накопителей информации.

Одним из подходов является создание схем одноэлектронной памяти, где два-три электрона хранят один бит информации (в современной микроэлектронной памяти для хранения одного бита информации задействовано около 10.000 электронов).

Другая идея нанопамяти подсказана принципом считывания обычного патефона, в котором игла считывает аналоговую информацию. В цифровом варианте единице и нулю соответствуют ямки, выдавленные в полимерном носителе. Ширина каждой ямки – около 40 нм, а глубина – не более 25 нм. Запись осуществляется с помощью щупа высоко допированного кремниевого кантилевера путем локального разогрева – щуп выдавливает ямки в полимере. Считывание осуществляется с помощью того же щупа. Нагрев меняет электрическое сопротивление, что фиксируется и преобразуется в цифровой сигнал. Таким образом, в один квадратный сантиметр можно вместить порядка 500 гигабит информации.

Мы видим, что переход к наноэлектронике в определенной степени базируется на достижениях микроэлектроники – использование уменьшающихся до атомарных размеров транзисторов и диодов и собранных из них схем. В то же время будущее сулит новые достижения на основе новых принципов работы на уровне отдельных атомов – использование квантовых эффектов, волновых свойств электрона и других явлений наномира.

http://nanodigest.ru/…-perspektivy

Термин «наноэлектроника» относительно новый и пришел на смену более привычному для старшего поколения термину «микроэлектроника», под которым понимали передовые для 60-х годов технологии полупроводниковой электроники с размером элементов порядка одного микрона.

  • Хороший обзорчик!.. Регулярная публикация таких обзорных очерков много даст для ликбеза в данной области. Подготовка и прочтение толстых отчётов и фолиантов в наше суматошное и «быстротекущее» время трудны, как для авторов, так и читатателей и требуют специальных усилий и выделения определённого периода времени. Что бывет не всегда удобно. Дозировка и усвоение сравнительно небольших «квантов» познавательной информации будут более удобыми и эффективными…

С «надвигающимся» Новым годом и другими праздниками! Счастья, здоровья и новых успехов!..