Уточняйте понятия и Вы избавите мир от

«Уточняйте понятия и Вы избавите мир от половины заблуждений» заблуждений - Рене Декарт СПЕЦГЛАВЫ МИКРО - И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ (основы наноэлектроники)

ЛИТЕРАТУРА 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Шик А. Я. , Бакуева Л. Г. и др. Физика низкоразмерных систем – Спб. Наука. 2001 г. Демиховский В. Я. , Вугальтер Г. А. Физика квантовых низкоразмерных структур. – М. : Логос. 2000 г. Кравченко А. Ф. , Овсюк В. Н. Электронные процессы в твердотельных системах пониженной размерности. – Новосибирск. 2000 г. Драгунов В. П. , Неизвестный И. Г. , Гридчин В. А. Основы наноэлектроники. – М. : Физматкнига. 2006 г. Драгунов В. П. , Неизвестный И. Г. Наноструктуры: физика, технология, применение. – Новосибирск. 2006 г. Герасименко Н. Н. , Пархоменко Ю. Н. Кремний - материал наноэлектроники. – М. : Техносфера. 2007 г. Неволин В. К. Зондовые нанотехнологии в электронике. - М. : Техносфера. 2 -е изд. 2006 г. Пул. Ч. -мл. , Оуэнс Ф. Нанотехнологии. Пер. с англ. под ред. Ю. И. Головина. - М. : Техносфера. 2 -е изд. 2006 г.

I. ПРЕДПОСЫЛКИ ПОЯВЛЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ Одна из потребностей человечества – переработка информации. Для этого сейчас наиболее эффективно использовать электромагнитные процессы. Электроника Задача: максимальная производительность систем (интегральных схем). ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ИС П=N∙F. П - производительность ИС N – число портов, F – рабочая частота. ВЫХОД - МИНИАТЮРИЗАЦИЯ

Проблемы миниатюризации ь Рассеиваемая мощность N∙ F S теплопроводность d. T ≤ C ∙ δV 2 dx Т. е. максимальная производительность, отнесен-ная к единице поверхности, определяется мини-мальной энергией, соответствующей одному биту (фактором качества) У Si теплопроводность – 1. 5 Вт/см·K, у Ga. As – 0. 46 Вт/см·K.

Сейчас фактор качества Si ИС ~ 10 ф. Дж. Для Si это соответствует предельной производительности ~ 1015 порт ∙ Гц. Т. е. 106 портов могут работать на частоте 1 ГГц. Термодинамический предел фактора качества ~ 10 -3 ф. Дж. Для повышения производительности ИС необходимо, с одной стороны, уменьшать энергию, потребляемую одним портом, а с другой – увеличивать рабочую частоту. можно ли это осуществить за счет миниатюризации?

Да! Вот уже более 35 лет миниатюризация осуществляется в рамках принципа пропорциональной миниатюризации ь В рамках этого принципа производится уменьшение всех трех размеров элементов (длины, ширины и высоты) ь

При уменьшении всех трех размеров элементов в α раз: С~S/d = α/α 2 = 1/α, δV~1/α, I ~1/α, Q = C∙δV ~ 1/α 2, C∙δV 2 ~ 1/α 3, t пер. ~ C∙δV/I ~ 1/α, т. е. F ~ α. В результате энергия (F∙C∙δV 2~1/α 2), выделяемая одним портом в секунду, уменьшается в 1/α 2, а так как N ~ α 2, то полная энергия (N·F∙C∙δV 2 = constant), выделяемая всей constant схемой в секунду, остается неизменной. секунду

ь МЕШАЮТ МИНИАТЮРИЗАЦИИ: МИНИАТЮРИЗАЦИИ 1. Трудности практической реализации (плазма не «травит» , свет «не лезет» куда надо). 2. Ограничения, ное старение тока и стока; контактах). связанные со спецификой компонента (ускорен. МОП-транзисторов; электромиграция и ускоренмежсоединений; возрастание сопротивлений испроявление случайных флуктуаций в омических 3. Технологический шум (ограничения, связанные с одновременной работой огромного количества компонентов) Под затвором МОП транзистора с длиной канала 100 нм в среднем будет находиться порядка 100 атомов примеси. Неопределенность составит ~ 10%. 4. При n = 1018 см-3 10 нм

4. Статистический шум Заряд, необходимый для передачи одного бита информации, составит около 0. 1 ф. Кл (~ 600 электронов) со средним отклонением порядка 4%. 5. Ограничения, налагаемые фундаментальными физическими законами (независимо от специфики компонента): ( • «Просачивание» - при сближении стока и истока (эмиттера и Просачивание коллектора) области пространственного заряда перекрываются, высота потенциальных барьеров уменьшается. • Туннелирование через тонкие изолирующие слои. (Критическая толщина ~ 4 – 5 нм. • Квантование спектра электронов.

НАНОТЕХНОЛОГИЯ – ЭТО ПУТЬ В БУДУЩЕЕ (основа новой научно-технической революции) Концепция развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий одобрена Правительством Российской Федерации 18 ноября 2004 г. Что же подталкивает человечество к концентрации огромных ресурсов для развития наноиндустрии? наноиндустрии Чем этот «карлик» так заинтересовал нас? Добиться улучшения характеристик различных устройств можно как за счет совершенствования уже известных решений, так и за решений счет использования новых материалов, новых технологий и новых физических эффектов

Совершенствования уже известных решений ОПС

ь «Новые материалы» Материаловеды фактически уже освоили почти всю доступную часть таблицы Менделеева. Оказалось, что в каждом конкретном случае не так уж и много подходящих материалов имеются в нашем распоряжении. Для получения нужных характеристик использовали очистку и легирование, создавали твердые растворы и композитные материалы, варьировали тепловые и механические воздействия. Использовали электромагнитные поля и элементарные частицы. Хорошо бы как-то расширить номенклатуру подходящих материалов – «расширить таблицу Менделеева» . Менделеева Обратили внимание на то, что свойства приповерхностных слоев материалов могут существенно отличаться от свойств внутренних слоев.

Атомы и молекулы внутри вещества испытывают воздействие ближайших соседей со всех сторон, а атомы приповерхностных слоев взаимодействуют лишь в пределах одной полуплоскости. В результате разные слои, образованные одними и теми же элементами, имеют разные электрофизические параметры. Часто измепараметры нения столь значительны, что не могут быть достигнуты с помощью обычных внешних воздействий.

Так, например, при наноразмерах пленки меди становятся прозрачными, стабильный алюминий превращается в горючий материал, твердое золото становится жидкостью при комнатной температуре, теряет химическую инертность и становится сильным катализатором.

графен углеродная нанотрубка фуллерен Изменить относительный вклад внутренних и приповерхностных атомных слоев в физико-технические характеристики материала можно также изменяя не все размеры структурных элементов, а лишь некоторые из них, т. е. изменяя размерность системы. В этом случае используется классификация, учитывающая классификация число направлений (координат), в которых вкладом поверхности можно пренебречь.

ь Смена технологической парадигмы Рис. две технологические парадигмы: «сверху вниз» вниз (левый столбец) и «снизу вверх» (правый столбец): вверх а) – обкалывание; б) – распиливание; в) – обтачивание (в конечный продукт превращается ~ 1. 5% массы сырья); г) – молекулярно-лучевая эпитаксия; д) – самосборка; е) – атомный дизайн зондовыми методами.

Самоорганизация Схематическое изображение трех основных режимов эпитаксиального роста кристаллов на подложке. а – по Франку – Ван -дер Мерве; б – по Странски - Крастанову; в – по Вольмеру - Веберу.

Поперечное сечение гетероструктуры, состоящей из самоупорядочившихся КТ (14 слоев In. As в каждой), разделенных 10 -нанометровыми слоями Ga. As Кристаллик Ge в матрице 4 H-Si. C

Самосборка Процесс формирования нанотрубок Схема формирования нанотрубок на основе слоев Ge и Si

Атомный дизайн зондовыми методами Схематическое изображение перемещения атомов в сканирующем микроскопе: 1 – зонд; 2 – область взаимодействия на кончике зонда; 3 – атом, подлежащий перемещению.

Атомный дизайн зондовыми методами; методами АСМ-изображение, полученное зондовой нанолитографией методом локального анодного окисления пленки Ti

В соответствии с выражением Шеннона – Неймана - Ландауэра минимальный энергетический барьер для осуществления однобитовой операции при комнатной температуре равен Еmin = к. Т Ln 2 = 0, 0177 э. В. Из соотношения неопределенностей Гейзенберга можно получить следующие значения для минимального размера, времени переключения и степени интеграции транзистора, транзистора как элемента бинарной логики: dmin =1. 5 нм; tmin = 0. 04 пс; Nmax = 4. 7 1013 элементов/см 2. Достижение значений, близких к данным, в соответствии с законом Мура ожидается в ближайшее десятилетие. Это обстоятельство стимулирует поиск новых решений по созданию переключающих элементов, отличных от создаваемых по имеющейся кремниевой технологии

ь Новые (перспективные) эффекты • Туннелирование (флеш память). • Квантовое ограничение (конфайнмент - confinement). • Раздельное ограничение (электронов, фононов и фотонов) • Баллистический перенос • Интерференция электронных волн (КВИТ) • Блоховские осцилляции. • Кулоновская блокада туннелирования (одноэлектроника) • Обменные взаимодействия (магнитоэлектроника). Новый этап в развитии полупроводниковой наноэлектроники открывается с созданием квантовых электронных интерферометров, нанотранзисторов, транзисторов и фотоприемников на квантовых точках

НОВЫЕ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ • Спиновые эффекты (магнитоэлектроника, спинтроника). • Углеродные нанотрубки. • Фотонные кристаллы. МАГНИТОЭЛЕКТРОНИКА (Спинтроника) Применение спиновой степени свободы для создания устройств передачи и хранения информации, для квантовых вычислений. Изменение спинового состояния требует намного меньше энергии ( Е спин менее 10 -5 э. В) по сравнению с изменением зарядового состояния, что открывает перспективы резкого уменьшения энергопотребления, повышения быстродействия и степени интеграции электронных устройств.

ФУЛЛЕРЕНЫ И НАНОТРУБКИ Возможность существования сферических высокосимметричных молекул углерода была предсказана в 1970 г. японским учеными Осава и Иошида. Несколько позже российские ученые (Бочвар и Гальперн, 1973 г. ) теоретическими расчетами доказали стабильность таких молекул. Авторами открытия фуллеренов (1985 г. ) считаются англичанин Г. Крото и группа американцев под руководством Р. Е. Смолли. За открытие фуллеренов Г. Крото, Р. Е. Смолли и Р. Ф. Керл в 1996 году были удостоины Нобелевской премии по химии. 1993 г. ознаменовался новым достижением: открытием ОУНТ. Публикации об этом появились в одном номере журнала «Nature» , одна японских исследователей (Иидзима, Ичихаши, 1993), другая – специалистов из компании IBM (Бетьюне и др. , 1993). Именно эти статьи вызвали беспрецедентный рост числа исследователей УНТ.

Углеродные нанотрубки (УНТ) обладают уникальными электрическими и механическими свойствами, включая высокую свойствами прочность, жесткость, ударную вязкость, химическую стойкость, теплопроводность и электропроводность. В зависимости от диаметра и хиральности проводимость УНТ может иметь металлический или полупроводниковый характер. В металлическом состоянии проводимость НТ очень высока. Оценочно они могут пропускать миллиард ампер на квадратный сантиметр – то есть на три порядка больше, чем медный провод. Этому способствует и высокая теплопроводность НТ. Она почти вдвое превышает теплопроводность алмаза.

ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ Одномерная фотонная структура и зависимость её пропускания от длины волны Двумерный ФК из цилиндров, расположенных в гексагональной симметрии, и его пропускание в зависимости от длины волны, измеренное в направлении Г-М первой зоны Бриллюэна

Фотонный кристалл с инверсной структурой алмаза Электронная микрофотография пленки синтетического опала

«Тяжело предсказывать, особенно будущее» - Нильс Бор СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ