Основные материальные элементы современной электроники

Основные элементы «наноконструктора» для электроники – это нанокристаллы разной размерности. Напомним, что верхним масштабом при определении размерности является 100 нм. Размеры квантовой точки в трех направлениях меньше этой величины, поэтому она и называется точкой. Квантовый провод (нанопроволока) в двух направлениях меньше этой величины, это аналог линии в геометрии. Наконец, квантовый слой, наноповерхность, имеет наноразмеры только в одном направлении, это двумерная система. Кроме того, наноэлектроника использует квантовые диски, а последнее время – разветвленные углеродные нанотрубки (рис. 6.4). В наноразмерных структурах сказывается волновая природа носителей заряда, электронов и дырок. Физические свойства систем с разной размер­ностью могут существенно отличаться.

Новое направление в наноэлектронике - использование квантовых нанопроводников как основного направления своеобразной «проводной» наноэлектроники. В начале 90-х гг. XX в. появился термин «металлическая наноэлект-роника». Ее элементной базой являются металлические квазиодномерные (размерами в двух других измерениях можно пренебречь) провода - микроконтакты. За счет наноразмеров они проявляют квантовые свойства проводимости уже при комнатных температурах. Наиболее интенсивно проводили исследования в этой области Япония и компания «IBM», стоявшая у истоков наноэлектроники. Вероятно, элементы металлической наноэлектроники найдут применение в СВЧ-технике.

Компания «HP» («Hewlett-Packard») разрабатывает новую стратегию развития базы наноэлектроники, в основе которой лежит концепция построения архитектуры чипов нового типа. Это «узловая» архитектура из пересекающихся нанопроводников с регулируемыми мостиками между ними (см. рис. 8.10). Производство таких чипов должно стать дешевле обычных кремниевых.

Новые материалы

Наноэлектроника нуждается в принципиально но­вых материалах и технологиях. «Король» микроэлектроники кремний вынужден уступать свои позиции. Однако твердотельные кремниевые микросхемы обладают высокой надежностью, в этом с ними пока трудно конкурировать. Кроме самого кремния и его оксида, используются силициды тугоплавких металлов и силициды металлов VIII группы таблицы Д. И. Менделеева. Они имеют высокую проводимость и высокую термостабильность. Более компактные и быстродействующие чипы компания «IBM» создает также с использованием напряженного кремния, напряженного гер­мания либо их гибридных сочетаний. Механическое напряжение увеличивает подвижность носителей заряда и величину тока через транзистор.

Заложены основы использования углеродных нанотрубок с их уникальными электрическими свойствами. Ветвящиеся нанотрубки предлагают использовать для создания различных функциональных наноэлементов, в том числе нанотранзисторов. Одна Y-образная трубка может служить транзистором – самым маленьким в мире. Компания «IBM» в 2006 г. собрала целую интегральную схему на единственной свернутой в кольцо однослойной нанотрубке (см. рис. 6.1).

Конкурентом углеродным нанотрубкам выступает новый материал – графен. В принципе можно будет построить интегральную схему целиком из графена без проводящих мостиков между элементами, что упростит технологию и существенно уменьшит энергопотери. В лабораториях уже созданы транзисторы и небольшие электронные схемы на графене.

Технологии

Новые материалы и устройства наноэлектроники требуют развития новых нетрадиционных технологий и усовершенствования старых. При этом важна не только высокая точность в получении наноструктур и устройств на их основе, но и экономически выгодная массовость производства. С этой точки зрения старая технология «сверху вниз» при требуемом усовершенствовании может стать очень дорогой. Классическая литография, даже при использовании коротковолново­го рентгеновского излучения, дает большой процент брака уже при размерах 10-20 нм. Характерный для нанотехнологии принцип «снизу вверх» только начинает развиваться в виде различных вариантов процессов, пока еще далеких от промышленного внедрения. Тем не менее, некоторые конкретные производства уже сделали «рывок» в этом направлении, например производство световодов на основе фотонных кристаллов.

Одним из технологических направлений в наноэлектронике является использование зондовых технологий. Классическим является метод ло­кального зондового окисления. Он используется для локального изменения свойства твердой подложки и для изготовления активных элементов наноэлектроники. В этом методе между зондом и подложкой создается такое электрическое поле, которое активирует различные физико-химические процессы.

Их итогом является образование оксида, толщина слоя которого зависит от приложенной разности потенциалов и длительности процесса.

Другой метод, метод «погруженного пера», позволяет рисовать на подложке, используя в качестве «чернил» золото, ДНК, органические красители, проводя­щие полимеры и пр.

Существуют технологии зондового механического воздействия (давления) на подложку или термическо­го воздействия. Их сочетание составляет основу работы запоминающего устройства «многоножка» фирмы «IBM» (рис. 6.5), которая является примером многозондового матричного устройства (см. гл. 1). Представленный в 2005 г. на выставке в Ганновере чип «много­ножки» размером 6,3x6,3 мм² содержал 4096 кантилеверов. На такую «многоножку» размером с почтовую марку можно записать содержимое 25 DVD-дисков. По прогнозу «IBM», она заменит Flash-память.

Посвященные «многоножке» статьи озаглавлены «Перфокарты возвращаются». В старых вычислительных машинах в бумажных перфокартах отверстие или отсутствие отверстия обеспечивали двоичный код «1» - «0» («да» - «нет»). В новой памяти нанозонды проплавляют ямки диаметром 10 нм на расстоянии 100 нм друг от друга в специальной полимерной пленке. Когда зонд попадает в ямку, он охлаждается, и его электрическое сопротивление изменяется. Этого достаточно для определения бита информации. Зонд может стереть информацию, заплавив ямку.