ЛЭТИ НОЦ Нанотехнологии 2010 Введение Размерный

ЛЭТИ, НОЦ “Нанотехнологии” 2010

Введение • Размерный фактор в электронике ; • Эволюция наноразмерной элементной базы кремниевой «информационной» электроники ; • Эволюция наноразмерной элементной базы микроволновой электроники ; • Вакуумная эмиссионная наноэлектроника ; • Углеродная наноэлектроника; • Бионическая электроника; • Магнитная наноэлектроника; • Спинтроника; • Наноэлектромеханика; • Архитектура, скрытность, защита микро и наносистем. Заключение Не рассматриваются вопросы: § Фотоника § Силовая электроника § Электроника на основе аппликативной топологии (ПАВ, МСВ, ЦМД, ПЗС).

Безопасность Конкурентоспособность Превосходство «жесткая сила» Паритет «мягкая сила» оружие интеллект, ресурсы, законы Угрозы: • Стагнация инновационных технологий (низкая эффективность достижения нового современного технологического уклада) • Снижение качества человеческого капитала (общее снижение образовательного уровня и мотиваций) • Кибертерроризм (аналог оружия массового поражения)

Программные средства: ежегодно Электроника: 1 -5 лет Системообразующие технические средства: 5 -20 лет Инфраструктура: 10 -25 лет Системные платформы: 20 -50 лет

Наноэлектроника – научно-техническое направление, обеспечивающее создание в объеме и на поверхности твердого тела или другого типа конденсированной среды совокупности нано- и микроразмерных областей определенной геометрии, структуры и состава системное или самопроизвольное упорядочение массива которых, при установлении электрических связей и электромагнитного взаимодействия, выполняет функции восприятия, генерации, преобразования, передачи сигналов, обработки и хранения информации с заданными энергетическими, частотными, информационными параметрами в определенных условиях эксплуатации с требуемой надежностью и экономическими показателями. Особенность наноэлектроники - широкое использование при создании электронной компонентной базы квантово-размерных, «гигантских» и кооперативных эффектов и процессов, обусловленных проявлением наномасштабных факторов. Наноэлектроника – научно-техническое направление, обеспечивающее создание электронной компонентной базы с широким использованием при её функционировании квантово-размерных, «гигантских» и кооперативных эффектов и процессов, обусловленных проявлением наномасштабных факторов.

НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ Вода Глюкоза Антитело Вирус Бактерия Раковая клетка Нанометры Атомно-молекулярная инженерия НАНО- И МИКРОТЕХНОЛОГИИ Микротехника Транзистор Теннисный мяч

Микро (греч. MICPO - малый) Атом имеет размер ~ 0, 1 нм. Нано (греч. NANO - карлик) 1 нм – молекула, состоящая более, чем из 30 атомов. 1 нм отличается от размера человека также, как его размер от диаметра орбиты Луны. Толщина человеческого волоса - 50 000 нм. Наименьший элемент, различимый человеческим глазом – 10 000 нм. Минимальный размер технического изделия (топологическая норма, достигнутая на чипе кристалла промышленной ИМС) – 32 нм. Размер вируса (биообъект) – порядка 100 нм. Наноструктуры находятся на слиянии наименьших из созданных человеком устройств и наибольших “молекул” живых организмов

Вакуумная лампа Транзистор 100 лет ИС БИС 1000000 (миллион раз) УБИС

Транзисторов на ЧИПе Первый транзистор, 1947 Первая ИС, 1958 1 МОП ИС, 1966 Топологическая норма

Топологическая норма, мкм Частота синхронизации, ГГц Годы

Новые физические принципы Новые конструкции Новые композиции материалов Эволюция топологических норм от микро- до нано 1950, 1 -й коммерческий кремниевый планарный транзистор Не планарные конструкции 2007, Intel, КМОП Si. Ge, диэлектрик с высоким , металлический затвор Квантово-размерные структуры и эффекты, 3 D-интеграция, аллотропические формы углерода,

Исток Сток Затвор

Кремний на изоляторе Объемный кремний

Технология травления Технология матричного профилирования

Ток стока, A/мкм Напряжение на затворе, В

2 -D 3 -D

Фрагменты ИМС с 9 слоями коммутации Фрагмент топологии Фрагмент линий коммутации

1 Измерительный комплекс 2, 1 0 Топология потенциальном Изображение в фрагмента кристалла ИМС контрасте после подачи смещения контрасте до подачи смещения Оптическое изображение К 573 РФ 2 Распределение потенциала вдоль линии сканирования

ИМС без логических сигналов ИМС с логическим сигналом

ИМС без логических сигналов ИМС с логическим сигналом

ТГц ГГц Радио и теле вещание 107 108 Мобильная связь ТГц диапазон 109 1011 1010 1012 Инфракрасный 1013 1014 Ультрафиолет 1015 Рентген 1016 1017 Частота (Гц)

Частотные диапазоны работы принятых на вооружение и перспективных радиоэлектронных средств

Мощность излучения передающих модулей принятых на вооружение и перспективных радиоэлектронных средств

Название РЭС Назначение Рабочая частота SMART-T Спутниковая связь 43, 5 -45, 5 ГГц Patriot PAC-III Ракетные головки самонаведения 26 -40 ГГц WARLOC Радар слежения за спутниками 75 -110 ГГц РЛС посадки 35 ГГц РЛС космической разведки 96 ГГц Спец. связь 220 ГГц F=10 ГГц F=40 ГГц F=75 ГГц 3 см Пропускная способность канала, Гб/с Сечение диаграммы направленности по уровню половинной мощности на расстоянии 5000 м 3 мм 100 10 Оптимальная частота несущей 1 0, 01 5 10 30 Частота, ГГц 170 м 42 м 22 м 0, 5 мм 100 500

Структура Si. Ge КМОП-ячейки ИС Типовая структура Ga. As HBT

НАНОРАЗМЕРНАЯ СЛОЕВАЯ FET КОМПОЗИЦИЯ НА ОСНОВЕ In 0. 7 Ga 0. 3 As с КОМПОЗИЦИОННЫМ ЗАТВОРОМ

f. T [GHz]

Высокая скорость коммутации Низкая потребляемая мощность Функциональные возможности Низкие шумы >100 GHz Повышение подвижности Уменьшение ширины запрещенной зоны Свойства

Структура Ga. N HEMT с МДП-затвором Типовая структура Ga. N ГПТШ

Si. O 2 – + p-Si n-Si Вакуум Me 1 Me Me 2 Si Si. O 2 p-Si Термоэмиссия Автоэмиссия n-Si Me 1 Туннелировани е Me 2

Hi. FIVE (220 ГГц) – Высокочастотная интегральная вакуумная электроника SWIFT (340 ГГц) (imaging focal plane) TIFT (650 ГГц) (imaging focal plane) – Субмилиметровая волновая технология – Терагерцовая технология

ИМС цифровые и аналоговые (включая СВЧ): - сверхвысокое быстродействие - сверхвысокая степень интеграции - малая рассеиваемая мощность (отсутствие накала) - *низкий уровень шумов - высокая устойчивость к температурным воздействиям - высокая устойчивость к радиационным воздействиям - невысокая выходная мощность ● Для создания мощных микроприборов необходимы периодические микросистемы, аналоги каскадных электронных ламп. ● Возможна интеграция электронных эмиссионных вакуумных усилительных микроэлементов, микромеханических модуляторов, рентгеновских и фотоэлектронных микропреобразователей.

Сверхмалые размеры активных зон (наноразмеры) и большая плотность элементов (более 108 /мм 2); Сверхвысокие напряженности (более 108 В/см) электрических полей (сверхмалые межэлектронные расстояния, сверхбольшая кривизна); Сверхвысокие плотности (более 109 А/см 2) тока (нанолокализация воздействий); Повышенные напряженности магнитных полей в условиях сверхмалых размеров (слабое проявление эффекта спада магнитного поля от расстояния, ~ 1/R 6); Сверхмалые времена (10 -9– 10 -12 секунд) протекания процессов (минимальные длины пробега, сверхмалые емкости из-за наноразмеров конструктивных элементов).

Композиции 3 D упорядоченных наноострий на основе структур Si. C/Si, Si. C/Si. C; Si. C/Me 3 N/Al 2 O 3(W): базовая толщина структуры - 300 мкм; диаметр острий - от 100 до 40 нм; плотность 3 D острий - не менее 106 мм -2.

МОРФОЛОГО-ТОПОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТИНА ПОВЕРХНОСТИ СОВРЕМЕННОЙ СВЧ ИС

ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ, РЕАЛИЗУЕМАЯ В РАМКАХ ПРОГРАММЫ HIFIVE ПО ТЕХНОЛОГИИ MEMS f=220 ГГц w=100 Вт

ТГЦ-ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ОБЪЕКТОВ f=640 ГГц

Детектирование и усиление сигналов на террагерцовых и рентгеновских частотах; Стимуляция локализованного рентгеновского излучения; Создание в малых локальных объемах сверхвысоких температур; Локализация и удержание плазмы в условиях сверхмалых объемов.

НЧ фильтр (прозрачная пленка) антенна Fig. 2. Electronmicroscope image of the thin-film Ni-Ni. O-Ni diode with a contact area of 0. 012 m 2 connected to an integrated bow-tie antenna ? Коэффициент преобразования энергии ректенн в различных диапазонах частот

ФУЛЛЕРЕНЫ, НАНОТРУБКИ, ГРАФЕН, Curl, Kroto & Smalley 1985, Однослойные, 1993 2004 Нобелевская премия 1996 многослойные, 1991 ГРАФИТ, XVI век

Высокая подвижность Механическая прочность е ни Н гоп изко отр е еб ле ер Высокоскоростные цифровые системы но рх ве сть эн ра по Космические объекты ая Радиоэлектронные системы е зм ер ы ит Композиционные материалы ы зв с Вы т ло п а ая ток ок М ал Ра ть ос н Сенсорика человека и среды обитания Наноразмерные системы на кристалле

Катализатор Стадии процесса

50 -60 нанотрубок/мкм 2

Высокое сопротивление в двух состояниях Низкая потребляемая мощность: CMOS – 1 n. W, CNTM – 1 p. W

Бислои Монослой Гексагональная решетка, аналогичная графиту, а=1, 42Å Связи sp 2 -” ” Нет запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости, =200000 см 2/В*с (эксперимент)

Периодический потенциал в бислоях Энергетическая структура Верхний затвор E Бислои графена Нижний затвор E электроны Слои графена дырки

При комнатной температуре запрещенная зона отсутствует Бислойная графитовая структура поддерживает электронно-дырочный экситонный “конденсат” Управление энергетическим затвором Рекомбинация в электронно-дырочном “конденсате” управляется полем затвора Затвор контролирует межслоевое “туннелирование” между слоями графена Межслойное напряжение (m. V)

Перенос графена на субстрат Формирование истока и стока Формирование Al затвора Cu, Si. O 2 Верхний затвор (Al) Графен И Si подложка c низким сопротивления С Au или Ti Верхний затвор Графен Нижний затвор Электрическое поле

Подложка 4 H-Si. C, полуизолирующая =105 Ом*см, грань Si, 8º

ЛЭТИ, 2010 г.

Природная нейронная сеть Формальные модели нейронной сети Сеть Хопфилда Распределение потенциала в сети

Молекулярный ключ Авирами и Рапнера

Магнитосопротивление Отношение MR/RT - низкое Классический Гигантский (Нобелевская премия 2007) Туннельный Гигантский туннельный GTMR MR=100 -1000% S. Yasa S. Parkin

Ферромагнитный электрод Изолятор Ферромагнитный электрод Параллельно Антипараллельно Сопротивление Rp - низкое Сопротивление Rp - высокое Ферромагнит Аморфный Al. O Ферромагнит MR 20 -70%

Аморфный Al-O Монокристаллический Mg. O(001) MR<100% MR>1000%

Отжиг при 250 С Рекристаллизация Отжиг активируют рекристаллизацию аморфного Co. Fe. B “Твердофазная эпитаксия” В Co. Fe. B(001) имеет место полная спин-поляризация, в Co. Fe. B/Mg. O/Co. Fe. B наблюдается гигантский TMR Приложенное магнитное поле (о. е. )

КДК Магнитное поле Магнитный сенсор Плотность записи (Gbit / in 2) Головка Магн. диск >200 Gbit / inch 2 TMR аморфный барьер GMR Годы

4 Mbit-MRAM Достоинства: высокая скорость, неограниченное количество записей; высокие температуры, радиационная стойкость. Недостатки: невысокая плотность записи.

Детектирование колебаний Генерация колебаний

Годы Головка HDD MR головка GMR головка память TMR головка Новые приборы головка СПИН-RAM RF сенсоры и осцилляторы

исток затвор СПИНТРОНИКА сток электрон Перемещение заряда Изменение спин-поляризации электрон Энергетические затраты • Генерация сигнала Сложности: • Управление сигналом • Регистрация сигнала

Классическая “Спин-RAM” Мощность при записи Переключение Размер ячейки, нм

источник энергии магнитный выход вход спиновый ток Информация Коммутация КМОП ASL заряд конденсатора магнитное состояние КМОП-зарядов (ток) ASL-”спинов” (ток) Ограничения: Низкие температуры Отсутствие внешних магнитных полей Конструктивные сложности

Одна частица: атом; молекула; амплитуда сигнала электрон Резонатор на нанотрубках: малые размеры 1 нм; малая активная масса 10 -18 g; высокий модуль Юнга 1 ТPa; электронный способ измерения частотный

Количество измерений Чувствительность 10 -20 g Измеряемая масса

Нанокластерная структура защитного покрытия Зависимость поглощения ЭМ излучения от частоты для покрытия толщиной 1, 5 мкм

Нанослоевая композиция интерметаллического соединения Ni. Ti Тепловой эффект – 1 см 3 (Ni. Ti) – 4 -5 тыс. Дж Тепловой эффект – 1 см 3 (ТНТ) – 6, 5 тыс. Дж

More Moore Персональные мобильные информационнокоммуникационные системы More Than Moore Умные сенсоры и актюаторы Гибкая органическая электроника Биотехнические микро- и наносистемы. Конвергенция

Особенности современной ситуации в наноэлектронике Наноразмерные топологические нормы в массовом производстве ИС; Образцы элементной базы на основе наноразмерных систем с использованием квантово-размерных, «гигантских» и кооперативных эффектов и процессов; Резкое увеличение степени интеграции элементов на кристалле (ICT MASIVE); Интеграция электронных цифровых, аналоговых, СВЧ и оптических модулей на едином кристалле (So. C) и в корпусе (Si. P) с использованием 3 х-мерных принципов упаковки; Интенсификация исследований в области органической и углеродной электроники; Внедрение нестандартных многоуровневых «бионических» логик при кодировании и обработке информации ( ICT BIO).