СПЕЦГЛАВЫ МИКРО - И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ (основы наноэлектроники)

избавите мир от половины заблуждений»

- Рене Декарт

Спб. Наука. 2001 г.
Демиховский В.Я., Вугальтер Г.А. Физика квантовых низко-размерных

структур. – М.: Логос. 2000 г.
Кравченко А.Ф., Овсюк В.Н. Электронные процессы в твер-дотельных системах пониженной размерности. – Новоси-бирск. 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.

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

мощность

N∙F теплопроводность dT
S 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 GaAs – 0.46 Вт/см·K.

соответствует предельной производитель-ности ~ 1015 порт ∙ Гц.

Т.е. 106 портов могут работать на частоте 1 ГГц.
Термодинамический предел фактора качества
~ 10-3 фДж.
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

В рамках этого принципа производится уменьшение всех трех размеров элементов (длины, ширины и высоты)

α раз:
С~S/d = α/α2 = 1/α, δV~1/α, I ~1/α,
Q =

C∙δV ~ 1/α2, C∙δV2 ~ 1/α3,
t пер.~ C∙δV/I ~ 1/α, т.е. F ~ α.
В результате энергия (F∙C∙δV2~1/α2), выделяемая одним портом в секунду, уменьшается в 1/α2, а так как N ~ α2, то полная энергия (N·F∙C∙δV2 = constant), выделяемая всей схемой в секунду, остается неизменной.

куда надо).
Ограничения, связанные со спецификой компонента (ускорен-ное старение МОП-транзисторов; электромиграция

и ускорен-ное старение межсоединений; возрастание сопротивлений ис-тока и стока; проявление случайных флуктуаций в омических контактах).
Технологический шум (ограничения, связанные с одновремен-ной работой огромного количества компонентов). Под затвором МОП транзистора с длиной канала 100 нм в среднем будет находиться порядка 100 атомов примеси. Неоп-ределенность составит ~ 10%.

- при сближении стока и истока (эмиттера и коллектора) области

пространственного заряда перекрываются, высота потенциальных барьеров уменьшается.
Туннелирование через тонкие изолирующие слои. (Критическая толщина ~ 4 – 5 нм.
Квантование спектра электронов.

4. Статистический шум.
Заряд, необходимый для передачи одного бита информации,
составит около 0.1 фКл (~ 600 электронов) со средним отклоне- нием порядка 4%.

– 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 ог-ромных ресурсов для развития наноиндустрии?
Чем этот «карлик» так заинтересовал нас?

Добиться улучшения характеристик различных устройств можно как за счет совершенствования уже известных решений, так и за
счет использования
новых материалов,
новых технологий и
новых физических эффектов.

доступную часть таблицы Менделеева. Оказалось, что в каждом конкрет-ном 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 мате-риалы, варьировали тепловые и механические воздействия. Ис-пользовали электромагнитные поля и элементарные частицы.
Хорошо бы как-то расширить номенклатуру подходя-щих материалов – «расширить таблицу Менделеева».
Обратили внимание на то, что свойства приповерхностных слоев материалов могут существенно отличаться от свойств внутренних слоев.

«Новые материалы»

соседей со всех сторон, а атомы приповерхностных слоев взаимодействуют лишь

в пределах одной полуплоскости.
В результате разные слои, образованные одними и теми же эле-ментами, имеют разные электрофизические параметры. Часто изме-нения столь значительны, что не могут быть достигнуты с помощью обычных внешних воздействий.

стабильный алюминий превращается в го-рючий материал, твердое золото становится жидкостью

при комнатной температуре, теряет химическую инертность и становится сильным катализатором.

физико-техни-ческие характеристики материа-ла можно также изменяя не все размеры структурных

элементов, а лишь некоторые из них, т.е. изменяя размерность системы.

В этом случае используется классификация, учитывающая число направлений (координат), в которых вкладом поверхности можно пренебречь.

парадигмы: «сверху вниз» (левый столбец) и «снизу вверх» (правый столбец):

а) – обкалывание;
б) – распиливание;
в) – обтачивание (в конечный продукт превраща-
ется ~ 1.5% массы сырья);
г) – молекулярно-лучевая эпитаксия;
д) – самосборка;
е) – атомный дизайн зондовыми мето- дами.

эпитакси-ального роста кристаллов на подложке. а – по Франку –

Ван -дер Мерве; б – по Странски - Крастанову; в – по Вольмеру - Веберу.

в каждой), разде-ленных 10-нанометровыми слоями GaAs
Кристаллик Ge в матрице
4H-SiC

и Si
Самосборка

в сканиру-ющем микроскопе:
1 – зонд;
2 – область взаимодействия на

кончике зонда;
3 – атом, подлежащий переме-щению.

анодного окисления пленки Ti

- Ландауэра минимальный энергетический барьер для осуществления одноби-товой операции при

комнатной температуре равен Еmin = кТLn2 = 0,0177 эВ.
Из соотношения неопределенностей Гейзенберга можно полу-чить следующие значения для минимального размера, вре-мени переключения и степени интеграции транзистора, как элемента бинарной логики:
dmin =1.5 нм; tmin = 0.04 пс; Nmax = 4.71013 элементов/см2.
Достижение значений, близких к данным, в соответствии с за-коном Мура ожидается в ближайшее десятилетие.
Это обстоятельство стимулирует поиск новых решений по созда-нию переключающих элементов, отличных от создаваемых по име-ющейся кремниевой технологии.

электронных интерферометров, нанотранзисторов, транзисторов и фотоприемников на квантовых точках.
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).

Новые (перспективные) эффекты

и хранения информации, для квантовых вычислений.
Изменение спинового

состояния требует намного меньше энер-гии (Е спин менее 10-5 эВ) по сравнению с изменением зарядово-го состояния, что открывает перспективы резкого уменьшения энергопотребления, повышения быстродействия и степени интег-рации электронных устройств.

МАГНИТОЭЛЕКТРОНИКА
(Спинтроника)

НОВЫЕ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ

Спиновые эффекты (магнитоэлектроника, спинтроника).
Углеродные нанотрубки.
Фотонные кристаллы.

в 1970 г. японским учеными Осава и Иошида. Несколько позже

российские ученые (Бочвар и Гальперн, 1973 г.) теоретическими расчетами доказали стабиль-ность 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 иссле-дователей УНТ.

ФУЛЛЕРЕНЫ И НАНОТРУБКИ

свойствами, включая высокую прочность, жесткость, ударную вязкость, химическую стойкость, теплопроводность

и электропроводность.
В зависимости от диаметра и хиральности проводимость УНТ мо-жет 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.

длины волны
Двумерный ФК из цилиндров, рас-положенных в гексагональной сим-метрии,

и его пропускание в зави-симости от длины волны, измерен-ное в направлении Г-М первой зо-ны Бриллюэна

опала

ВНИМАНИЕ