Общие сведения. Наноэлектроника — электроника полупроводниковых структур с характерными размерами от 0,1 до 100 нм (1нм=10-9м=10 )

Наноэлектроника — электроника полупроводниковых структур с характерными размерами от 0,1 до 100 нм (1нм=10^-9м=10 ). Термин «нано» (от греческого «нанос»— карлик) был введен в информационные технологии в середине 70-х годов 20 века. Нанометр – величина порядка нескольких атомов, построенных в цепочку. Некоторые характерные объекты с такими размерами имеют вид в соответствии с рисунком 6.1.

Рисунок 6.1 – Наноразмерные объекты

В современных (2004 г.) процессорах фирмы Intel размеры отдельных элементов составляют уже менее 65 нм. К 2009 г. планируют освоить промышленный выпуск транзисторов с тройным затвором, длина которого будет 15 нм (32-нанометровый технологический процесс). В отличии от классических планарных транзисторов в трехзатворных транзисторах используют новую структуру, в которой затворы как бы «обернуты» вокруг трех сторон кремниевого канала. Подробнее трехзатворные транзисторы будут рассмотрены ниже.

Поскольку как научное направление «наноэлектроника» существует относительно недавно, то ее точного исчерпывающего определения пока не существует. Наноэлектроника составляет часть нанотехнологии – области науки и техники, описывающей процессы, происходящие в пространстве с линейными наноразмерами и позволяющей конструировать, изготовлять и использовать на практике наноразмерные объекты и системы различной природы: искусственные, созданные человеком, молекулярные, биологические, химические и физические.

В настоящее время в развитии нанотехнологий существует три основных взаимосвязанных направления:

- изготовление электронных схем, в том числе объемных (аналогичных нейросетям), с активными элементами, размеры которых сравнимы с размерами единичных молекул или атомов;

- непосредственное манипулирование атомами и молекулами, а также сборка из них всевозможных материалов с наперед заданными свойствами (при этом методы управления энергетической структурой вещества получили специальное название – «зонная инженерия»);

- разработка и изготовление наномашин, т.е. механизмов и роботов величиной с молекулу, способных на принципах самоорганизации воспроизводить себе подобных.

Техническая возможность использовать нанотехнологии на практике появилась впервые в 1981 после изобретения Г.Бинингом и Г Рорером сканирующего туннельного микроскопа, позволяющего структурно воздействовать на вещество на атомном уровне. В 1986 г. был создан атомно-силовой микроскоп, который в отличие от туннельного микроскопа, может осуществлять манипуляции не только с проводящими, а с любыми материалами. При помощи туннельного микроскопа стало возможным захватить отдельный атом и поместить его в нужное место, т.е. атомарно конструировать полупроводниковую наноструктуру или вещество с необходимым химическим составом и конфигурацией.

Теоретически (в некоторых прогнозах) считается, что нанотехнология позволит создавать практически любые изделия – от вычислительных машин сверхвысокой производительности (квантовых компьютеров) до искусственных органов человека.

Наноэлектроника является логическим развитием микроэлектроники по пути микроминиатюризации. Данное развитие происходило и происходит до сих пор в полном соответствии с законом Г.Мура (удвоении производительности ИМС каждые 18 месяцев, начиная с 1965 г., и каждые 24 месяца с 1975 г.). Наиболее характерные этапы этого развития показаны на рисунке 6.2.

Если темпы такой миниатюризации сохранятся до 2010г., то транзистор уменьшится до размеров вируса, его рабочая частота сравняется с частотой колебаний атомов в решетке кристалла, а число транзисторов в одной ИМС достигнет одного триллиона.

Современное развитие твердотельной нанотехнологии базируется на основе последних достижений физики твердого тела, квантовой электроники, физической химии и технологии полупроводниковой электроники. В наноэлементах используются уже не электроны, как частицы, переносящие электрический заряд, а их волновые функции. Начинают в полной мере проявляться квантовые эффекты, а физика проводимости определяется квантово-механической интерференцией электронных волн. На основе фундаментальных физических процессов в таких элементах в настоящее время разрабатывают квантовые устройства и системы, работающие на новых принципах, с широкими функциональными возможностями для микро-, опто- и наноэлектроники, средств связи, измерительной техники, информационных технологий нового поколения.

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

Годы

Рисунок 6.2 – Характерные тенденции развития микро и наноэлектроники

В недалекой перспективе достижения наноэлектроники позволят: создать квантовый компьютер; значительно увеличить пропускную способность каналов связи, увеличить информационные емкости и качество систем отображения информации с одновременным снижением энергозатрат и т.д. В отдельных областях промышленности контроль изделий и материалов на уровне единичных атомов стал обыденным, например, наноконтроль матриц, используемых в производстве DVD-дисков.

Говорят даже, что тот, кто овладеет сегодня нанотехнологией – овладеет будущим. Только в США на исследования в области нанотехнологии в течение 2004-2007 гг. планируют выделить 2,36 млрд. долларов, что более чем вдвое превышает суммы, направленные на эти цели в предыдущие три года.

Россия по масштабам фундаментальных и прикладных исследований в области нанотехнологий пока отстает от ведущих стран мира. Вместе с тем в ряде институтов РАН проводят серьезные работы в этой сфере. Так, в ФТИ под руководством нобелевского лауреата Ж.Алферова осуществляют передовые разработки наногетероструктур, получившие международное признание.

Прежде чем перейти к современным достижениям наноэлектроники, кратко рассмотрим некоторые квантовые эффекты, лежащие в основе функционирования наноразмерных элементов.