Скачать презентацию ЛЭТИ НОЦ Нанотехнологии 2010 Введение Размерный Скачать презентацию ЛЭТИ НОЦ Нанотехнологии 2010 Введение Размерный

ПрорПН-ТНапр-я_Лекция 1 - слайды 1-49.ppt

  • Количество слайдов: 85

ЛЭТИ, НОЦ “Нанотехнологии” 2010 ЛЭТИ, НОЦ “Нанотехнологии” 2010

Введение • Размерный фактор в электронике ; • Эволюция наноразмерной элементной базы кремниевой «информационной» 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: • 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: 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 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 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. 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 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 Транзисторов на ЧИПе Первый транзистор, 1947 Первая ИС, 1958 1 МОП ИС, 1966 Топологическая норма

Топологическая норма, мкм Частота синхронизации, ГГц Годы Топологическая норма, мкм Частота синхронизации, ГГц Годы

Новые физические принципы Новые конструкции Новые композиции материалов Эволюция топологических норм от микро- до 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 Исток Сток Затвор

Кремний на изоляторе Объемный кремний Кремний на изоляторе Объемный кремний

Технология травления Технология матричного профилирования Технология травления Технология матричного профилирования

Ток стока, A/мкм Напряжение на затворе, В Ток стока, A/мкм Напряжение на затворе, В

2 -D 3 -D 2 -D 3 -D

Фрагменты ИМС с 9 слоями коммутации Фрагмент топологии Фрагмент линий коммутации 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 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

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 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 Частотные диапазоны работы принятых на вооружение и перспективных радиоэлектронных средств

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

f. T [GHz] f. T [GHz]

Высокая скорость коммутации Низкая потребляемая мощность Функциональные возможности Низкие шумы >100 GHz Повышение подвижности 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 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 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 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 - 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 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. 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 МОРФОЛОГО-ТОПОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТИНА ПОВЕРХНОСТИ СОВРЕМЕННОЙ СВЧ ИС

ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ, РЕАЛИЗУЕМАЯ В РАМКАХ ПРОГРАММЫ HIFIVE ПО ТЕХНОЛОГИИ MEMS f=220 ГГц w=100 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 ТГЦ-ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ОБЪЕКТОВ f=640 ГГц

Детектирование и усиление сигналов на террагерцовых и рентгеновских частотах; Стимуляция локализованного рентгеновского излучения; Создание 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 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 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 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 Катализатор Стадии процесса

50 -60 нанотрубок/мкм 2 50 -60 нанотрубок/мкм 2

Высокое сопротивление в двух состояниях Низкая потребляемая мощность: CMOS – 1 n. W, CNTM 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 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 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 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 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 Подложка 4 H-Si. C, полуизолирующая =105 Ом*см, грань Si, 8º

ЛЭТИ, 2010 г. ЛЭТИ, 2010 г.

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

Молекулярный ключ Авирами и Рапнера Молекулярный ключ Авирами и Рапнера

Магнитосопротивление Отношение MR/RT - низкое Классический Гигантский (Нобелевская премия 2007) Туннельный Гигантский туннельный GTMR 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 - 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% 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” 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 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 4 Mbit-MRAM Достоинства: высокая скорость, неограниченное количество записей; высокие температуры, радиационная стойкость. Недостатки: невысокая плотность записи.

Детектирование колебаний Генерация колебаний Детектирование колебаний Генерация колебаний

Годы Головка HDD MR головка GMR головка память TMR головка Новые приборы головка СПИН-RAM 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 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 Классическая “Спин-RAM” Мощность при записи Переключение Размер ячейки, нм

источник энергии магнитный выход вход спиновый ток Информация Коммутация КМОП ASL заряд конденсатора магнитное 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; 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 Количество измерений Чувствительность 10 -20 g Измеряемая масса

Нанокластерная структура защитного покрытия Зависимость поглощения ЭМ излучения от частоты для покрытия толщиной 1, 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) 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 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 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).