Наноэлектроника – Наноэлектроника — Википедия

Наноэлектроника — Википедия

Наноэлектроника — область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нанометров.

Термин «наноэлектроника» логически связан с термином «микроэлектроника» и отражает переход современной полупроводниковой электроники от элементов с характерным размером в микронной и субмикронной области к элементам с размером в нанометровой области. Этот процесс развития технологии отражает эмпирический закон Мура, который гласит, что количество транзисторов на кристалле удваивается каждые полтора-два года.

Однако принципиально новая особенность наноэлектроники связана с тем, что для элементов таких размеров начинают преобладать квантовые эффекты. Появляется новая номенклатура свойств, открываются новые заманчивые перспективы их использования. Если при переходе от микро- к наноэлектронике квантовые эффекты во многом являются паразитными, (например, работе классического транзистора при уменьшении размеров начинает мешать туннелирование носителей заряда), то электроника, использующая квантовые эффекты, — это уже основа новой, так называемой наногетероструктурной электроники.

В России ситуация с развитием наноэлектроники является неоднозначной. Микроэлектроника по сравнению с передним мировым фронтом в России развита достаточно слабо. В наноэлектронике Россия сохранила преимущества, которые были у Советского Союза. Это касается таких областей, как СВЧ-техника, инфракрасная техника, излучательные приборы на основе полупроводников. Россия является родиной одного из наиболее значимых электронных приборов — полупроводникового лазера, за который получил Нобелевскую премию академик Жорес Алфёров.

Во многих областях наноэлектроники стартовые позиции у России достаточно неплохие. На полупроводниковых наногетероструктурах с двумерным электронным газом основывается, например, сотовая связь. Здесь Россия не в лидерах, но сделанные ранее разработки в областях СВЧ, фотоприёмников, излучательных структур, солнечных батарей, силовой электроники и сейчас на очень хорошем уровне.

Государственные компании и программы

Ведущими разработками в области наноэлектроники в России занимаются:

Данные организации назначены головными в отрасли нанотехнологий по таким направлениям, как наноинженерия, наноэлектроника, нанобиотехнология.

Частные предприятия

АНО «Институт нанотехнологий МФК»(ИНАТ МФК) [11] — российская некоммерческая научно-производственная организация, работающая в сфере разработки и производства нанотехнологического оборудования, а также создания и практического внедрения технологий производства наноструктур и наноматериалов на их основе. Официальный сайт ИНАТ МФК http://www.nanotech.ru

ООО «Нано Скан Технология» — компания, основанная в Долгопрудном в 2007 году. Специализируется на разработке и производстве сканирующих зондовых микроскопов и комплексов на их основе для научных исследований и образования.

NT-MDT — российская компания, созданная в Зеленограде в 1989 году. Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов для образования, научных исследований и мелкосерийного производства.

ООО НПП «Центр перспективных технологий» — российское предприятие, работающее в области нанотехнологий. Создано в 1990 г. Специализируется на производстве сканирующих зондовых микроскопов «ФемтоСкан», атомных весов и аксессуаров, а также на разработке программного обеспечения.

Концерн «Наноиндустрия» — интегрирующая научно-производственная компания, основанная в 2001 году. Деятельность Концерна сосредоточена на разработке конкурентоспособной нанотехнологической продукции, организации её производства и рынков потребления.

ООО «Крокус Наноэлектроника»^[1][2][3] – совместное предприятие Роснано и компании с французскими корнями Crocus Technology. Основанна в 2011 году. Производство стартовало в 2016 году. Первая и пока единственная российская фабрика по обработке кремниевых пластин большого диаметра 300 мм и имеющая оборудование с технологическими нормами 90 нм и 55 нм. Один из крупнейших в мире производителей микросхем компьютерной памяти MRAM и встраиваемых магнитных логических ячеек для интегральных микросхем СнК.

1. ↑ http://crocusnano.com
2. ↑ https://www.mram-info.com/crocus-nanoelectronics
3. ↑ https://www.rbc.ru/economics/31/10/2013/5704120b9a794761c0ce339b

ru.wikipedia.org

НАНОЭЛЕКТРОНИКА • Большая российская энциклопедия

НАНОЭЛЕКТРО́НИКА, об­ласть элек­тро­ни­ки, вклю­чаю­щая соз­да­ние при­бо­ров и уст­ройств на ос­но­ве твер­до­тель­ных низ­ко­раз­мер­ных струк­тур с ми­ним. раз­ме­ра­ми эле­мен­тов ме­нее 100 нм, что обес­пе­чи­ва­ет их улуч­шен­ные ха­рак­те­ри­сти­ки и/или но­вые функ­цио­наль­ные воз­мож­но­сти. Прин­ци­пи­аль­ное от­ли­чие при­бо­ров Н. за­клю­ча­ет­ся в их «кван­то­во­сти»; на их свой­ст­ва ока­зы­ва­ют влия­ние кван­то­вые яв­ле­ния: кван­то­вые раз­мер­ные эф­фек­ты, тун­не­ли­ро­ва­ние, ку­ло­нов­ская бло­ка­да, вол­но­вые свой­ст­ва час­тиц, их ин­тер­фе­рен­ция и др.

Становление наноэлектроники

Н. яв­ля­ет­ся ес­теств. раз­ви­ти­ем мик­ро­элек­тро­ни­ки, воз­ник­но­ве­ние ко­то­рой свя­зы­ва­ют с изо­бре­те­ни­ем ин­те­граль­ной схе­мы (ИС). В со­от­вет­ст­вии с эм­пи­рич. за­ко­ном Му­ра в 1999 тех­но­ло­гия мик­ро­элек­тро­ни­ки пре­одо­ле­ла ру­беж ми­ним. раз­ме­ров (МР) 100 нм, что по­ло­жи­ло на­ча­ло ста­нов­ле­нию пром. Н. на ос­но­ве крем­ния. Это ста­ло воз­мож­ным бла­го­да­ря про­грес­су в оп­тич. ли­то­гра­фии (см. Фо­то­ли­то­гра­фия), а имен­но – соз­да­нию т. н. степ­пе­ров-ска­не­ров с эк­си­мер­ным ла­зе­ром на ме­та­ста­биль­ных мо­ле­ку­лах $\ce{ArF}$ с дли­ной вол­ны 193 нм, что обес­пе­чи­ва­ло про­стран­ст­вен­ное раз­ре­ше­ние до 50 нм. Даль­ней­шее про­дви­же­ние в об­ласть на­но­мет­ро­вых раз­ме­ров сти­му­ли­ро­ва­ло по­яв­ле­ние им­мер­си­он­ных степ­пе­ров-ска­не­ров, ко­то­ры­ми ос­на­ще­ны са­мые пе­ре­до­вые про­из-ва (по­зво­ля­ют дос­тичь раз­ре­ше­ния 20 нм и ме­нее). Боль­шие пер­спек­ти­вы от­кры­ва­ет соз­да­ние ли­то­гра­фич. про­ек­ци­он­ных ус­та­но­вок с ла­зе­ро­плаз­мен­ны­ми ис­точ­ни­ка­ми на дли­нах волн 13,5 и (в даль­ней­шем) 6,7 нм, что, по всей ве­ро­ят­но­сти, по­зво­лит реа­ли­зо­вать про­стран­ст­вен­ное раз­ре­ше­ние 15–5 нм. На­ко­п­лен­ный тех­но­ло­гич. и ин­тел­лек­ту­аль­ный по­тен­ци­ал мик­ро­элек­тро­ни­ки дал им­пульс к раз­ви­тию, по­ми­мо Н., це­ло­го ря­да но­вых смеж­ных на­прав­ле­ний: мик­ро- и на­но­элек­тро­ме­ха­ни­ки, мо­ле­ку­ляр­ной Н. и др.

Важ­ную роль в ста­нов­ле­нии Н. сыг­ра­ли пио­нер­ские ра­бо­ты 1950–60-х гг. У. Шок­ли, Г. Крё­ме­ра, Ж. И. Ал­фё­ро­ва и др. по тео­рии и соз­да­нию по­лу­провод­ни­ко­вых ге­те­ро­ст­рук­тур. К нач. 1970-х гг. отеч. учё­ны­ми под рук. Ал­фё­ро­ва соз­да­ны низ­ко­по­ро­го­вые ге­те­ро­ст­рук­тур­ные ла­зе­ры, вы­со­ко­эф­фек­тив­ные све­то­дио­ды, сол­неч­ные эле­мен­ты на ге­те­ро­ст­рук­ту­рах, ге­те­ро­ст­рук­тур­ные би­по­ляр­ные тран­зи­сто­ры и ти­ри­сто­ры. Стре­ми­тель­ное раз­ви­тие фи­зи­ки и тех­но­ло­гии ге­те­ро­ст­рук­тур­ных при­боров сти­му­ли­ро­ва­ло по­яв­ле­ние но­вых пре­цизи­он­ных ме­то­дов по­лу­че­ния ге­те­ро­струк­тур (мо­ле­ку­ляр­но-пуч­ко­вой эпи­так­сии, га­зо­фаз­ной эпи­так­сии из па­ров ме­тал­ло­ор­га­нич. со­еди­не­ний и их мо­ди­фи­ка­ций), при­ме­не­ние ко­то­рых по­зво­ли­ло соз­дать низ­ко­раз­мер­ные (с тол­щи­ной отд. сло­ёв ме­нее 100 нм) ге­те­ро­струк­туры с дву­мер­ным (2D) элек­трон­ным га­зом, сверх­ре­шёт­ка­ми, од­но­мер­ны­ми (1D) кван­то­вы­ми про­во­да­ми, нуль­мер­ны­ми (0D) кван­то­вы­ми точ­ка­ми, а так­же ка­че­ст­вен­но но­вые при­бо­ры на их ос­но­ве. Это низ­ко­по­ро­го­вые (при­бли­зи­тель­но до 20 А/см

2) и тер­мо­ста­биль­ные ла­зе­ры и фо­то­при­ём­ни­ки с кван­то­вы­ми точ­ка­ми, кван­то­вые кас­кад­ные ла­зе­ры, сверх­ско­ро­ст­ные тран­зи­сто­ры с дву­мер­ным элек­трон­ным га­зом, тун­нель­но-ре­зо­нанс­ные дио­ды и др. Та­ким об­ра­зом, нач. 1970-х гг. мож­но счи­тать ро­ж­де­ни­ем ге­те­ро­пе­ре­ход­ной Н. и но­во­го раз­де­ла фи­зи­ки твёр­до­го те­ла – фи­зи­ки низ­ко­раз­мер­ных струк­тур. Ис­сле­до­ва­ния на­но­ст­рук­тур со­про­во­ж­да­лись круп­ны­ми от­кры­тия­ми: в 1980 К. фон Клит­цин­гом – эф­фек­та кван­то­ва­ния хол­лов­ско­го со­про­тив­ле­ния дву­мер­но­го элек­трон­но­го га­за в струк­ту­ре крем­ние­во­го по­ле­во­го тран­зи­сто­ра в силь­ных маг­нит­ных по­лях и при низ­ких темп-рах; в 1982 Д. Цуи и Х. Сто­рме­ром – дроб­но­го эф­фек­та Хол­ла в ге­те­ро­ст­рук­ту­рах на ос­но­ве $\ce{GaAs}$ (см. Кван­то­вый эф­фект Хол­ла).

В 1987 Т. А. Фул­тон и Г. Дж. До­лан (Bell Laboratories, США) соз­да­ли пер­вый од­но­элек­трон­ный тран­зи­стор и на­блю­да­ли эф­фект ку­ло­нов­ской бло­ка­ды при низ­ких темп-рах. Впер­вые о воз­мож­но­сти соз­да­ния од­но­элек­трон­ных тран­зи­сто­ров на ос­но­ве ку­ло­нов­ской бло­ка­ды со­об­щи­ли в 1986 рос. учё­ные К. К. Ли­ха­рев и Д. В. Аве­рин. В 1996 соз­дан пер­вый в ми­ре од­но­элек­трон­ный мо­ле­ку­ляр­ный на­нок­ла­стер­ный тран­зи­стор, ра­бо­таю­щий при ком­нат­ной темп-ре (С. П. Гу­бин, В. В. Ко­ле­сов, Е. С. Сол­да­тов и др.).

В кон. 1980-х гг. А. Фер (Фран­ция) и П. Грюн­берг (Гер­ма­ния) от­кры­ли эф­фект ги­гант­ско­го маг­ни­то­со­про­тив­ле­ния (Но­бе­лев­ская пр., 2007). Маг­ни­то­чув­ст­вит. эле­мен­ты на ос­но­ве маг­ни­то­ре­зи­стив­ных на­но­ст­рук­тур ис­поль­зу­ются в счи­ты­ваю­щих маг­нит­ных го­лов­ках в сис­те­мах за­пи­си на жё­ст­кие дис­ки. Ве­дут­ся ин­тен­сив­ные раз­ра­бот­ки но­вых ви­дов па­мя­ти, в ча­ст­но­сти маг­нит­ной опе­ра­тив­ной па­мя­ти (MRAM) на маг­ни­то­ре­зи­стив­ных эле­мен­тах, а кон­цеп­ции спи­но­во­го транс­пор­та, спи­но­вой ин­жек­ции, спи­но­вых по­ля­ри­за­то­ров и ана­ли­за­то­ров лег­ли в ос­но­ву но­во­го на­уч­но-тех­нич. на­прав­ле­ния – спин­тро­ни­ки.

К сер. 1980-х гг. от­но­сит­ся се­рия от­кры­тий уг­ле­род­ных на­но­ст­рук­тур. В 1985 Р. Кёрл, Х. Кро­то и Р. Смол­ли об­на­ру­жи­ли по­ли­эд­ри­че­ские кла­сте­ры уг­ле­ро­да, по­лу­чив­шие назв. фул­ле­ре­нов, в т. ч. мо­ле­ку­лы $\ce{C_{60}}$ и $\ce{C_{70}}$ (Но­бе­лев­ская пр., 1996). Об­на­ру­же­ны так­же т. н. выс­шие фул­ле­ре­ны, со­дер­жа­щие боль­шее чис­ло ато­мов уг­ле­ро­да (от 74 до 400), ко­то­рые об­ра­зу­ют­ся в зна­чи­тель­но мень­ших ко­ли­че­ст­вах и, как пра­ви­ло, име­ют до­воль­но слож­ный изо­мер­ный со­став. Кри­стал­лич. фул­ле­ре­ны (фул­ле­ри­ты) и плён­ки пред­став­ля­ют со­бой по­лу­про­вод­ни­ки с ши­ри­ной за­пре­щён­ной зо­ны 1,2–1,9 эВ, об­ла­даю­щие фо­то­про­во­ди­мо­стью. При об­лу­че­нии ви­ди­мым све­том элек­трич. со­про­тив­ле­ние фул­ле­ри­та умень­ша­ет­ся. Фо­то­про­во­ди­мо­стью об­ла­да­ют и разл. сме­си чис­то­го фул­ле­ри­та с др. ве­ще­ст­ва­ми. Фул­ле­ре­ны в кри­стал­лах ха­рак­те­ри­зу­ют­ся от­но­си­тель­но не­вы­со­ки­ми энер­гия­ми свя­зи, по­это­му уже при ком­нат­ной темп-ре в та­ких кри­стал­лах на­блю­да­ют­ся фа­зо­вые пе­ре­хо­ды, при­водя­щие к ори­ен­та­ци­он­но­му ра­зу­по­ря­доче­нию и раз­мо­ра­жи­ва­нию вра­ще­ния мо­ле­кул фул­ле­ре­нов. Кри­стал­лы $\ce{C_{60}}$, ле­ги­ро­ван­ные ато­ма­ми ще­лоч­ных ме­тал­лов, об­ла­да­ют ме­тал­лич. про­во­ди­мо­стью и пе­ре­хо­дят в сверх­про­во­дя­щее со­стоя­ние в диа­па­зо­не от 19 до 55 К (в за­ви­си­мо­сти от ти­па ще­лоч­но­го ме­тал­ла). Ещё бо­лее вы­со­кая темп-ра сверх­про­во­дя­ще­го пе­ре­хо­да (вплоть до 100 К) ожи­да­ет­ся для сверх­про­вод­ни­ков на ос­но­ве выс­ших фул­ле­ре­нов. К 2010-м гг. фул­ле­ри­ты не на­шли при­ме­не­ния в уст­рой­ст­вах Н., но ис­сле­до­ва­ния воз­мож­но­сти ис­поль­зо­ва­ния фул­ле­ре­нов про­дол­жа­ют­ся.

Боль­шой ин­те­рес вы­зва­ло на­блю­де­ние в 1991 япон. учё­ным С. Иид­жи­мой уг­ле­род­ных на­нот­ру­бок (УНТ), со­стоя­щих из свёр­ну­тых в труб­ку гек­са­го­наль­ных гра­фи­то­вых плос­ко­стей, за­кан­чи­ваю­щих­ся обыч­но по­лу­сфе­рич. го­лов­кой, ко­то­рая мо­жет рас­смат­ри­вать­ся как по­ло­ви­на мо­ле­ку­лы фул­ле­ре­на. В за­ви­си­мо­сти от строе­ния на­нот­руб­ки мо­гут об­ла­дать ме­тал­лич. или по­лу­про­вод­ни­ко­вой про­во­ди­мо­стью, что пре­до­пре­де­ля­ет ши­ро­кий диа­па­зон их воз­мож­ных при­ме­не­ний в на­но­элек­тро­ни­ке.

Важ­ным на­уч. до­сти­же­ни­ем ста­ло от­кры­тие гра­фе­на – дву­мер­ной ал­ло­троп­ной мо­ди­фи­ка­ции уг­ле­ро­да, об­ра­зо­ван­ной сло­ем ато­мов уг­ле­ро­да тол­щи­ной в один атом, со­еди­нён­ных по­сред­ст­вом $sp^2$-свя­зей в гек­са­го­наль­ную дву­мер­ную кри­стал­лич. ре­шёт­ку (К. Но­во­сё­лов и А. Гейм; Но­бе­лев­ская пр., 2010). Гра­фен мож­но пред­ста­вить как од­ну плос­кость гра­фи­та, от­де­лён­ную от объ­ём­но­го кри­стал­ла. По оцен­кам, он об­ла­да­ет боль­шой ме­ха­нич. жё­ст­ко­стью и хо­ро­шей те­п­ло­про­вод­но­стью (ок. 1 ТПа и 5 × 10³ Вт·м^–1·К^–1 со­от­вет­ст­вен­но). Вы­со­кая под­виж­ность но­си­те­лей за­ря­да де­ла­ет гра­фен пер­спек­тив­ным ма­те­риа­лом для на­но­элек­тро­ни­ки.

Элементная база и перспективы развития

Тех­но­ло­гии Н. не толь­ко су­ще­ст­вен­но улуч­ши­ли ха­рак­те­ри­сти­ки при­бо­ров мик­ро­элек­тро­ни­ки, но и по­зво­ли­ли соз­дать но­вые ти­пы при­бо­ров с уни­каль­ны­ми свой­ст­ва­ми. В Н. эле­мент­ной ба­зой ана­ло­го­вых и циф­ро­вых ИС об­ра­бот­ки ин­фор­ма­ции и па­мя­ти яв­ля­ют­ся на­но­тран­зи­сто­ры. По ме­ре умень­ше­ния МР ме­ня­ет­ся не толь­ко кон­ст­рук­ция тран­зи­сто­ров, но и пред­став­ле­ние о том, как они ра­бо­та­ют. Пред­став­ле­ния о про­цес­сах, про­ис­хо­дя­щих в тран­зи­сто­ре, ра­ди­каль­но ме­ня­ют­ся, ко­гда раз­мер его ак­тив­ной об­лас­ти ста­но­вит­ся рав­ным 10–50 нм, т. е. срав­ни­мым с деб­рой­лев­ской дли­ной вол­ны но­си­те­лей за­ря­да. В этом слу­чае ак­тив­ная об­ласть тран­зи­сто­ра ве­дёт се­бя как вол­но­вод, и для его опи­са­ния ис­поль­зу­ет­ся вол­но­вое урав­не­ние Шрё­дин­ге­ра. Та­кой тран­зи­стор ста­но­вит­ся кван­то­вым, хо­тя на внеш­них элек­тро­дах из­ме­ря­ют­ся клас­сич. ве­ли­чи­ны – си­ла то­ка и на­пря­же­ние.

Крем­ние­вый по­ле­вой на­нот­ран­зи­стор ос­та­ёт­ся осн. эле­мен­том сверх­боль­ших ИС. Од­на­ко в об­лас­ти МР ме­нее 100 нм струк­ту­ра тран­зи­сто­ра пре­тер­пе­ва­ет из­ме­не­ния. Умень­ше­ние дли­ны ка­на­ла тран­зи­сто­ра на объ­ём­ной под­лож­ке тре­бу­ет уве­ли­че­ния сте­пе­ни ле­ги­ро­ва­ния ка­на­ла, что при­во­дит к спа­ду под­виж­но­сти элек­тро­нов и ды­рок из-за рас­сея­ния на ато­мах при­ме­си, а сле­до­ва­тель­но, к сни­же­нию то­ка тран­зи­сто­ра в от­кры­том со­стоя­нии и бы­ст­ро­дей­ст­вия ИС. Для уве­ли­че­ния под­виж­но­сти при­ме­ня­ют на­пря­жён­ные крем­ние­вые слои. Изу­ча­ют­ся воз­мож­но­сти соз­да­ния встро­ен­ных ка­на­лов на твёр­дых рас­тво­рах $\ce{Ge–Si}$, $\ce{Ge}$, а так­же на ос­но­ве ма­те­риа­лов с вы­со­кой под­виж­но­стью элек­тро­нов (напр., $\ce{InAs}$). Эти приё­мы зна­чи­тель­но ус­лож­ня­ют тех­но­ло­гию, по­это­му для ка­на­лов дли­ной ок. 20 нм и ме­нее без­аль­тер­на­тив­ной ста­но­вит­ся кон­ст­рук­ция тран­зи­сто­ра в тон­ком (до 10 нм) не­ле­ги­ро­ван­ном слое «крем­ния-на-изо­ля­то­ре» (КНИ). Элек­трон рас­про­стра­ня­ет­ся в та­ком ка­на­ле, как вол­на Де Брой­ля, ко­то­рая ин­тер­фе­ри­ру­ет и рас­сеи­ва­ет­ся на слу­чай­ных ато­мах при­ме­си и ше­ро­хо­ва­то­стях гра­ни­цы с ди­элек­трич. слоя­ми, что при­во­дит к раз­бро­су (в до­пус­ти­мых пре­де­лах) ха­рак­те­ри­стик тран­зи­сто­ра. Счи­та­ет­ся, что имен­но КНИ-тран­зи­сто­ры бу­дут ос­но­вой ульт­ра­боль­ших ИС (УБИС) вплоть до 2020 (при этом дли­на ка­на­ла дос­тиг­нет 6 нм). Пре­дель­ные ра­бо­чие час­то­ты та­ких тран­зи­сто­ров ле­жат в те­ра­гер­це­вом диа­па­зо­не, но бы­ст­ро­дей­ст­вие про­цес­сор­ных УБИС ог­ра­ни­че­но по­треб­ляе­мой кри­стал­лом мощ­но­стью, ко­то­рая про­пор­цио­наль­на так­то­вой (ра­бо­чей) час­то­те и вы­де­ля­ет­ся в ви­де джо­уле­ва те­п­ла, по­это­му долж­на быть от­ве­де­на от кри­стал­ла. Из­вест­ны спо­со­бы от­во­да те­п­ла, по­зво­ляю­щие от­вес­ти до 400 Вт от 1 см² пло­ща­ди кри­стал­ла. Да­же в этом слу­чае макс. так­то­вая час­то­та про­цес­сор­ных УБИС не пре­вы­ша­ет по по­ряд­ку ве­ли­чи­ны 1 ГГц. По­это­му их про­из­во­ди­тель­ность уве­ли­чи­ва­ют ар­хит. ме­то­да­ми (мно­го­ядер­ные про­цес­со­ры). При умень­ше­нии дли­ны ка­на­ла (5 нм и ме­нее) рас­тёт ток пря­мо­го тун­не­ли­ро­ва­ния ме­ж­ду ис­то­ком и сто­ком, ко­то­рый мо­жет дос­ти­гать 10^–6 А на 1 мкм ши­ри­ны ка­на­ла, что на три по­ряд­ка пре­вы­ша­ет ток тер­мо­элек­трон­ной эмис­сии и уве­ли­чи­ва­ет по­треб­ляе­мую кри­стал­лом мощ­ность ещё на 700–800 Вт.

Воз­мож­ной пер­спек­ти­вой раз­ви­тия крем­ние­во­го по­ле­во­го тран­зи­сто­ра яв­ля­ет­ся тран­зи­стор с кон­так­та­ми Шотт­ки, ра­бо­та ко­то­ро­го ос­но­ва­на на управ­ле­нии тун­нель­ным то­ком кон­так­тов ис­то­ка и сто­ка с по­мо­щью на­пря­же­ния на за­тво­ре. В струк­ту­ре от­сут­ст­ву­ют ле­ги­ро­ван­ные об­лас­ти, что обес­пе­чи­ва­ет бал­ли­стич. (без рас­сея­ния) пе­ре­нос но­си­те­лей в ка­на­ле. Кро­ме то­го, тран­зи­стор мо­жет об­ла­дать вы­со­кой под­по­ро­го­вой кру­тиз­ной, что по­зво­ля­ет сни­зить ра­бо­чее на­пря­же­ние. Эти об­стоя­тель­ст­ва обу­слов­ли­ва­ют воз­мож­ность уве­ли­че­ния бы­ст­ро­дей­ст­вия тран­зи­сто­ра в схе­мах и сни­же­ния энер­го­по­треб­ле­ния.

По­ле­вые тран­зи­сто­ры на ос­но­ве УНТ. Ин­те­рес к при­ме­не­нию на­но­тру­бок в элек­тро­ни­ке обу­слов­лен гл. обр. очень вы­со­кой под­виж­но­стью но­си­те­лей за­ря­да, ко­то­рая при ком­нат­ной темп-ре на два по­ряд­ка пре­вы­ша­ет под­виж­ность в объ­ём­ном не­ле­ги­ров. мо­но­кри­стал­лич. крем­нии и со­став­ля­ет 10⁵ см²/(В·с). Осн. про­бле­мы, свя­зан­ные с раз­ра­бот­кой по­ле­вых тран­зи­сто­ров на ос­но­ве УНТ: фор­ми­ро­ва­ние на­нот­ру­бок за­дан­ных раз­ме­ров и свойств в оп­ре­де­лён­ных мес­тах струк­ту­ры; обес­пе­че­ние вы­со­ко­про­во­дя­ще­го (оми­че­ско­го) кон­так­та с элек­тро­да­ми ис­то­ка и сто­ка; соз­да­ние оги­баю­ще­го за­тво­ра с уз­кой ди­элек­трич. про­слой­кой. Из-за ма­ло­го диа­мет­ра на­нот­руб­ки об­ла­да­ют ис­клю­чи­тель­но вы­со­кой по­ле­вой эмис­си­ей. Пер­вые ис­сле­до­ва­ния эмис­си­он­ных свойств на­нот­ру­бок вы­пол­не­ны под рук. Ю. В. Гу­ляе­ва в 1994.

По­ле­вые тран­зи­сто­ры на ос­но­ве гра­фе­на и его мо­ди­фи­ка­ций ин­тен­сив­но ис­сле­ду­ют­ся. В гра­фе­не элек­тро­ны об­ра­зу­ют дву­мер­ный элек­трон­ный газ с кон­цен­тра­ци­ей ок. 10¹² см^–2. В «под­ве­шен­ном» гра­фе­не, как и в на­нот­руб­ках, об­на­ру­же­на вы­со­кая под­виж­ность но­си­те­лей – ок. 2·10⁵ см²/(В·с) при ком­нат­ной темп-ре. Это от­кры­ва­ет пер­спек­ти­ву ис­поль­зо­ва­ния гра­фе­на в тран­зи­сто­рах для сверх­бы­ст­ро­дей­ст­вую­щих ана­ло­го­вых схем. При­ме­не­ние гра­фе­на в ло­гич. схе­мах пред­став­ля­ет­ся про­бле­ма­тич­ным вви­ду от­сут­ст­вия у не­го за­пре­щён­ной зо­ны и, как след­ст­вие, низ­ко­го от­но­ше­ния то­ка в от­кры­том со­стоя­нии тран­зи­сто­ра к то­ку в за­кры­том со­стоя­нии при ком­нат­ной темп-ре. Име­ют­ся разл. пред­ло­же­ния по «соз­да­нию» за­пре­щён­ной зо­ны: она воз­ни­ка­ет в дву­слой­ном гра­фе­не, в гра­фе­не, на­сы­щен­ном во­до­ро­дом, а так­же в уз­ких по­лос­ках гра­фе­на.

Важ­ным дос­ти­же­ни­ем на­но­тех­но­ло­гии яви­лось фор­ми­ро­ва­ние слоя гра­фе­на на под­лож­ке кар­би­да крем­ния ($\ce{SiC}$), с ко­то­рым он име­ет близ­кую кри­стал­лич. струк­ту­ру. Од­на­ко в эпи­так­си­аль­ном гра­фе­не на­блю­да­ет­ся зна­чит. сни­же­ние под­виж­но­сти но­си­те­лей, вы­зван­ное де­фек­та­ми гра­ни­цы. Вы­со­кую под­виж­ность уда­ёт­ся на­блю­дать в верх­них сло­ях мно­го­слой­но­го гра­фе­на, вы­пол­нен­но­го в ви­де со­че­та­ния отд. сло­ёв, слег­ка по­вёр­ну­тых по от­но­ше­нию к со­сед­ним. Воз­мож­но, гра­фен най­дёт и др. при­ме­не­ния (напр., в оп­то­элек­тро­ни­ке). От­сут­ст­вие за­пре­щён­ной зо­ны в гра­фе­не по­зво­ля­ет соз­дать на его ос­но­ве при­ём­ни­ки и ис­точ­ни­ки те­ра­гер­це­во­го из­лу­че­ния.

В ге­те­ро­пе­ре­ход­ных по­ле­вых тран­зи­сто­рах (др. при­ня­тое назв. – тран­зи­сто­ры с вы­со­кой под­виж­но­стью элек­тро­нов, ТВПЭ) ка­нал фор­ми­ру­ет­ся на гра­ни­це раз­де­ла двух по­лу­про­вод­ни­ко­вых сло­ёв с раз­ной ши­ри­ной за­пре­щён­ной зо­ны, вы­ра­щен­ных на по­лу­изо­ли­рую­щей под­лож­ке. На гра­ни­це ме­ж­ду слоя­ми об­ра­зу­ет­ся уз­кая по­тен­ци­аль­ная яма, в ко­то­рую «сва­ли­ва­ют­ся» сво­бод­ные элек­тро­ны, об­ра­зуя дву­мер­ный элек­трон­ный газ (ДЭГ). Под­виж­ность элек­тро­нов в ДЭГ дос­ти­га­ет вы­со­ких зна­че­ний, т. к. ато­мы при­ме­си, по­став­ляю­щие элек­тро­ны, про­стран­ст­вен­но от­де­ле­ны от ДЭГ. Соз­дан­ные в  2010 ТВПЭ с ре­корд­но вы­со­кой ра­бо­чей час­то­той (2,5 ТГц) на­хо­дят ши­ро­кое при­ме­не­ние в СВЧ ИС для мо­биль­ных те­ле­фо­нов, спут­ни­ко­вой ап­па­ра­ту­ры, ра­да­ров, ра­дио­те­ле­ско­пов и др.

Ге­те­ро­пе­ре­ход­ные би­по­ляр­ные тран­зи­сто­ры (ГБТ). За­ме­на го­мо­пе­ре­хо­да «эмит­тер – ба­за» на ге­те­ро­пе­ре­ход в струк­ту­ре би­по­ляр­но­го тран­зи­сто­ра при­ве­ла к зна­чит. улуч­ше­нию его ха­рак­те­ри­стик, а имен­но – к уве­ли­че­нию ко­эф. уси­ле­ния по то­ку и мощ­но­сти и су­ще­ст­вен­но­му по­вы­ше­нию бы­ст­ро­дей­ст­вия (раз­ра­бо­та­ны ГБТ с уси­ле­ни­ем по то­ку на час­то­тах св. 600 ГГц). ГБТ соз­да­ют­ся на со­еди­не­ни­ях $\ce{A_{III}B_{V}}$ и твёр­дых рас­тво­рах $\ce{Ge–Si}$. Раз­ра­бо­та­на так­же тех­но­ло­гия ге­те­ро­пе­ре­ход­ных т. н. БиК­МОП ИС (со­вме­щаю­щих би­по­ляр­ные и ком­пле­мен­тар­ные МОП-тран­зи­сто­ры с $n$- и $p$-ка­на­ла­ми) на твёр­дых рас­тво­рах $\ce{Ge–Si}$.

Ре­зо­нанс­но-тун­нель­ные при­бо­ры ис­поль­зу­ют вол­но­вую при­ро­ду но­си­те­лей за­ря­да и фак­ти­че­ски яв­ля­ют­ся ана­ло­га­ми оп­тич. при­бо­ров. Ре­зо­нанс­но-тун­нель­ные дио­ды (РТД) соз­да­ют­ся ме­то­да­ми мо­ле­ку­ляр­но-пуч­ко­вой эпи­так­сии так, что в них об­ра­зу­ют­ся два уз­ких по­тен­ци­аль­ных барь­е­ра, раз­де­лён­ных кван­то­вой ямой. Ес­ли энер­гия на­ле­таю­ще­го элек­тро­на сов­па­да­ет с энер­ги­ей уров­ня элек­тро­на в яме ме­ж­ду барь­е­ра­ми, то про­ис­хо­дит зна­чит. уве­ли­че­ние про­зрач­но­сти струк­ту­ры. РТД об­ла­да­ет $N$-об­раз­ной вольт-ам­пер­ной ха­рак­те­ри­сти­кой (ВАХ). На­ли­чие на ВАХ об­лас­ти с от­ри­ца­тель­ной диф­фе­рен­ци­аль­ной про­во­ди­мо­стью по­зво­ли­ло ис­поль­зо­вать РТД в схе­мах ге­не­ра­то­ров и по­лу­чить ге­не­ра­цию на час­то­тах до 700 ГГц. РТД явля­ет­ся двух­по­люс­ни­ком, что соз­да­ёт оп­ре­де­лён­ные труд­но­сти при по­строе­нии на ос­но­ве этих дио­дов ли­ней­ных и циф­ро­вых схем. Пред­при­ня­ты уси­лия к соз­да­нию ре­зо­нанс­но-тун­нель­ных тран­зи­сто­ров (РТТ). Напр., для соз­да­ния РТТ в струк­ту­ру би­по­ляр­но­го тран­зи­сто­ра вме­сто эмит­тер­но­го $p–n$-пе­ре­хо­да встраи­ва­ет­ся РТД. В др. кон­ст­рук­ции РТД объ­е­ди­ня­ет­ся с по­ле­вым тран­зи­сто­ром с за­тво­ром Шотт­ки и реа­ли­зу­ет­ся в ви­де пла­нар­ной (в плос­ко­сти под­лож­ки) струк­ту­ры. Та­кой РТТ по­лу­чил при­ме­не­ние в сверх­ско­ро­ст­ных ИС не­боль­шой сте­пе­ни ин­те­гра­ции (∼10³ при­бо­ров) в спец. ап­па­ра­ту­ре.

Ра­бо­та од­но­элек­трон­но­го тран­зи­сто­ра (ОТ) ос­но­ва­на на эф­фек­те ку­ло­нов­ской бло­ка­ды. ОТ со­сто­ит из центр. ост­ров­ка, свя­зан­но­го тун­нель­ны­ми кон­так­та­ми с ис­то­ком и сто­ком; по­тен­ци­ал ост­ров­ка управ­ля­ет­ся на­пря­же­ни­ем на за­тво­ре. В ус­ло­ви­ях ку­ло­нов­ской бло­ка­ды элек­трон не мо­жет пе­рей­ти из ис­то­ка на ост­ро­вок, тран­зи­стор за­крыт. ОТ об­ла­да­ет вы­со­ким собств. бы­ст­ро­дей­ст­ви­ем (де­сят­ки ТГц). Для его пе­ре­клю­че­ния в от­кры­тое со­стоя­ние не­об­хо­ди­мо пе­ре­мес­тить все­го один элек­трон на центр. ост­ро­вок. Со­от­вет­ст­вую­щая энер­гия пе­ре­клю­че­ния рав­на те­п­ло­вой энер­гии элек­тро­на, что со­став­ля­ет 10^–8 Дж при ком­нат­ной темп-ре. Од­на­ко циф­ро­вые схе­мы на ос­но­ве ОТ име­ют фун­дам. ог­ра­ни­че­ние на бы­ст­ро­дей­ст­вие, по­сколь­ку для про­яв­ле­ния эф­фек­та ку­ло­нов­ской бло­ка­ды не­об­хо­ди­мо, что­бы со­про­тив­ле­ние тун­нель­ных кон­так­тов бы­ло го­раз­до боль­ше т. н. кван­та со­про­тив­ле­ния (13,6 кОм). Имен­но это при­во­дит к от­но­си­тель­но боль­шим вре­ме­нам пе­ре­за­ря­да ём­ко­стей тран­зи­сто­ра.

Вы­дви­ну­ты идеи соз­да­ния ин­тер­фе­рен­ци­он­ных, спи­но­вых и мо­ле­ку­ляр­ных на­нот­ран­зи­сто­ров, ко­то­рые, как и од­но­элек­трон­ные тран­зи­сто­ры, по­ка не по­лу­чи­ли при­ме­не­ния в на­но­элек­тро­ни­ке.

Ра­бо­та ин­тер­фе­рен­ци­он­ных тран­зи­сто­ров (ИТ) ос­но­ва­на на управ­ле­нии ин­тер­фе­рен­ци­ей но­си­те­лей то­ка в ка­на­ле по­тен­циа­ла­ми внеш­них элек­тро­дов. Прак­тич. ин­те­рес к ИТ вы­зван воз­мож­но­стью умень­ше­ния энер­гии пе­ре­клю­че­ния тран­зи­сто­ра из от­кры­то­го со­стоя­ния в за­кры­тое. В обыч­ных по­ле­вых тран­зи­сто­рах, в ко­то­рых про­ис­хо­дит управ­ле­ние то­ком тер­мо­эмис­сии, энер­гия пе­ре­клю­че­ния в рас­чё­те на один элек­трон не мо­жет быть мень­ше те­п­ло­вой энер­гии $kT$ ($k$ – по­сто­ян­ная Больц­ма­на, $T$ – тем­пе­ра­ту­ра). В экс­пе­ри­мен­тах на­блю­да­ют управ­ле­ние ин­тер­фе­рен­ци­ей с по­мо­щью элек­трич. по­ля, но ма­лое от­но­ше­ние то­ка ИТ в от­кры­том со­стоя­нии к то­ку за­кры­то­го со­стоя­ния по­ка не по­зво­ля­ет го­во­рить о его прак­тич. при­ме­не­нии. Воз­мож­ной пер­спек­ти­вой яв­ля­ет­ся ис­поль­зо­ва­ние в ИТ уг­ле­род­ных $Y$-об­раз­ных на­нот­ру­бок.

Спи­но­вые по­ле­вые тран­зи­сто­ры изо­бре­те­ны амер. учё­ны­ми С. Дат­той и Б. Да­сом в 1990. В ре­зуль­та­те спин-ор­би­таль­но­го взаи­мо­дей­ст­вия, управ­ляе­мо­го на­пря­же­ни­ем за­тво­ра, про­ис­хо­дит пре­цес­сия спи­нов элек­тро­нов, про­ле­таю­щих в ка­на­ле тран­зи­сто­ра. Ожи­дае­мая прак­тич. поль­за от при­ме­не­ния спи­но­вых тран­зи­сто­ров – умень­ше­ние энер­гии пе­ре­клю­че­ния, по­сколь­ку на пре­цес­сию не тра­тит­ся энер­гия. В пред­ло­жен­ном тран­зи­сто­ре ис­поль­зует­ся осо­бый вид спин-ор­би­таль­но­го взаи­мо­дей­ст­вия, рас­смот­рен­ный отеч. фи­зи­ка­ми Ю. А. Быч­ко­вым и Э. И. Раш­бой в 1984. По­ка на­де­ж­ды, свя­зан­ные со спи­но­вым тран­зи­сто­ром (а имен­но – со­че­та­ние низ­ко­го управ­ляю­ще­го на­пря­же­ния, ма­ло­го энер­го­по­треб­ле­ния и вы­со­ко­го бы­ст­ро­дей­ст­вия), не реа­ли­зо­ва­ны. Воз­мож­но, в бу­ду­щем бу­дут соз­да­ны на­но­ст­рук­ту­ры, об­ла­даю­щие су­ще­ст­вен­но бо­лее силь­ным спин-ор­би­таль­ным взаи­мо­дей­ст­ви­ем. Кро­ме то­го, не­об­хо­ди­мо соз­дать ин­жек­тор спи­но­во­го то­ка и спи­но­вый фильтр с эф­фек­тив­но­стью, близ­кой к 100%.

В мо­ле­ку­ляр­ных тран­зи­сто­рах в ка­че­ст­ве ка­на­ла ис­поль­зу­ют­ся мо­ле­ку­лы или ато­мы, ко­то­рые яв­ля­ют­ся иде­аль­ны­ми объ­ек­та­ми с точ­ки зре­ния вос­про­из­во­ди­мо­сти их раз­ме­ров и струк­ту­ры. Од­на­ко при­ме­не­ние мо­ле­ку­ляр­ных тран­зи­сто­ров в на­но­элек­трон­ных схе­мах по­ка стал­ки­ва­ет­ся с про­бле­мой фор­ми­ро­ва­ния на­дёж­ных элек­трич. кон­так­тов к мо­ле­ку­лам.

В ка­че­ст­ве аль­тер­на­ти­вы тран­зи­стор­ной Н. раз­ви­ва­ют­ся иные ар­хи­тек­ту­ры ИС для про­цес­со­ров. Это, напр., т. н. «кросс-бар» ар­хи­тек­ту­ра, раз­ра­бо­тан­ная в амер. ком­па­нии «Hewlett- Packard» в 2001. «Кросс-бар» мат­ри­ца со­сто­ит из двух вза­им­но пер­пен­ди­ку­ляр­ных на­бо­ров па­рал­лель­ных на­но­про­вод­ни­ков, раз­де­лён­ных мо­но­мо­ле­ку­ляр­ным сло­ем, со­про­тив­ле­ни­ем ко­то­ро­го мож­но управ­лять с по­мо­щью элек­трич. сиг­на­лов. В мес­тах пе­ре­се­че­ний мат­ри­цы об­ра­зу­ют­ся т. н. мо­ле­ку­ляр­ные клю­чи, ко­то­рые долж­ны на­хо­дить­ся в ус­та­нов­лен­ных со­стоя­ни­ях с боль­шим или ма­лым со­про­тив­ле­ни­ем сколь угод­но дол­го при от­клю­чён­ном на­пря­же­нии пи­та­ния. В ка­че­ст­ве та­ких мо­ле­ку­ляр­ных пе­ре­клю­ча­те­лей изу­ча­ют­ся мо­но­мо­ле­ку­ляр­ные слои ро­так­са­нов. Пред­ла­га­ет­ся ис­поль­зо­вать так­же пе­ре­клю­ча­те­ли на $\ce{Ag2S}$ (фор­ми­ро­ва­ние и раз­ру­ше­ние се­реб­ря­ных пе­ре­мы­чек), на тон­ких сег­не­то­элек­трич. плён­ках и др. Та­кие пе­ре­клю­ча­те­ли на­зва­ны мем­ри­сто­ра­ми (memory resistor), т. е. на­но­эле­мен­та­ми, со­хра­няю­щи­ми со­стоя­ния с вы­со­ким или низ­ким со­про­тив­ле­ни­ем. Кросс-бар мат­ри­цы в за­ви­си­мо­сти от ко­ди­ров­ки мо­гут вы­пол­нять слож­ные ло­гич. функ­ции (напр., по­лу­сум­ма­то­ра). Для управ­ле­ния ими сле­ду­ет ис­поль­зо­вать КМОП-вен­ти­ли, при­чём ко­ли­че­ст­во вен­ти­лей в про­цес­со­ре су­ще­ст­вен­но со­кра­ща­ет­ся по срав­не­нию с чис­лом вен­ти­лей в КМОП-про­цес­со­рах, что мо­жет дать су­щест­вен­ную эко­но­мию в по­треб­ляе­мой про­цес­со­ром мощ­но­сти. Хо­тя та­кие ар­хи­тек­ту­ры из­вест­ны дав­но, ис­сле­до­ва­ния в этом на­прав­ле­нии на на­но­тех­но­ло­гич. уров­не мо­гут при­вес­ти к соз­да­нию но­вых ти­пов на­но­элек­трон­ных уст­ройств об­ра­бот­ки и хра­не­ния ин­фор­ма­ции (в т. ч. ней­рон­ных) с низ­кой по­треб­ляе­мой мощ­но­стью.

Твер­до­тель­ные на­но­ст­рук­ту­ры для кван­то­вых ком­пь­ю­те­ров. Ес­ли дей­ст­вие за­ко­на Му­ра про­длить вплоть до 2030, то дос­ти­жи­мый МР ста­нет рав­ным раз­ме­ру од­но­го ато­ма. Это оз­на­ча­ет, что на­но­тех­но­ло­гии дос­тиг­нут мо­но­атом­но­го уров­ня и по­зво­лят соз­да­вать пол­но­мас­штаб­ные кван­то­вые ком­пь­ю­те­ры (КК) на ос­но­ве твер­до­тель­ных на­но­ст­рук­тур. Ве­дут­ся ис­сле­до­ва­ния твер­до­тель­ных ку­би­тов с ис­поль­зо­ва­ни­ем ядер­но­го спи­на ($I=1/2$) $P^{31}$ или $Si^{29}$ в «бес­спи­но­вом» ($I=0$) $Si^{28}$, спи­на элек­тро­на и ядер­но­го спи­на в $NV$-цен­тре (атом азо­та – ва­кан­сия) в ал­ма­зе, с ис­поль­зо­ва­ни­ем спи­но­вых и ор­би­таль­ных элек­трон­ных со­стоя­ний в кван­то­вых точ­ках и кван­то­вых ни­тях и др. Реа­ли­за­ция та­ких на­но­ст­рук­тур тре­бу­ет при­ме­не­ния ли­то­гра­фии с про­стран­ст­вен­ным раз­реше­ни­ем ме­нее 5–10 нм, од­но­ион­ной им­план­та­ции и др. пре­ци­зи­он­ных про­цес­сов, что в бу­ду­щем не­пре­мен­но бу­дет дос­тиг­ну­то.

Ис­поль­зо­ва­ние твер­до­тель­ных струк­тур по­ни­жен­ной раз­мер­но­сти в тран­зи­сто­рах на ульт­ра­тон­ком КНИ, тун­нель­но-ре­зо­нанс­ных, од­но­элек­трон­ных и др., в ге­те­ро­пе­ре­ход­ных ла­зе­рах и фо­то­при­ём­ни­ках с кван­то­вы­ми точ­ка­ми (см. На­но­ла­зер) – это на­чаль­ная ста­дия раз­ви­тия Н., и круп­ные дос­ти­же­ния ещё впе­ре­ди. Н. со­вер­шит пе­ре­во­рот в вы­чис­лит. тех­ни­ке, в т. ч. в су­пер­ком­пь­ю­те­рах, сред­ст­вах те­ле­ком­му­ни­ка­ций, сис­те­мах управ­ле­ния, энер­ге­ти­ке и во мно­гих др. об­лас­тях че­ло­ве­че­ской дея­тель­но­сти.

bigenc.ru

Наноэлектроника. Что это такое и как она работает?

Область электроники, занимающаяся разработкой технологических и физических основ построения интегральных электронных схем с размерами элементов менее 100 нанометров, называется наноэлектроникой. Сам термин наноэлектроника отражает переход от микроэлектроники современных полупроводников, где размеры элементов измеряются единицами микрометров, к более мелким элементам — с размерами в десятки нанометров.

   Наноэлектроника

С переходом к наноразмерам, в схемах начинают доминировать квантовые эффекты, открывающие множество новых свойств, и, соответственно, знаменующие собой перспективы их полезного использования. И если для микроэлектроники квантовые эффекты зачастую оставались паразитными, ведь например с уменьшением размера транзистора его работе начинает мешать туннельный эффект, то наноэлектроника напротив — призвана использовать подобные эффекты как основу для наногетероструктурной электроники.

Каждый из нас ежедневно пользуется электроникой, и наверняка многие люди уже замечают некоторые однозначные тенденции. Память в компьютерах увеличивается, процессоры становятся производительнее, размеры устройств уменьшается.

С чем это связано?

   Уменьшение размеров разных устройств

В первую очередь — с изменением физических размеров элементов микросхем, из которых все электронные устройства по сути и строятся. Хоть физика процессов остается на сегодняшний день приблизительно такой же, размеры устройств становятся все меньше и меньше. Крупный полупроводниковый прибор работает медленнее и потребляет больше энергии, а нанотранзистор — и работает быстрее, и энергии потребляет меньше.

Известно, что все вещественные тела состоят из атомов. И почему бы электронике не достичь атомного масштаба? Эта новая область электроники позволит решать такие задачи, которые на обычной кремниевой базе просто принципиально невозможно решить.

   Монослойные материалы

Большой интерес вызывает сейчас графен и подобные ему монослойные материалы (смотрите статью — Графеновые аккумуляторы. Перспективы практического применения графена). Такие материалы в один атом толщиной обладают замечательными свойствами, которые можно комбинировать для создания различных электронных схем.

Например технологии связанные с зондовой микроскопией позволяют строить на поверхности проводника в сверхвысоком вакууме разнообразные структуры из отдельных атомов, просто переставляя их. Чем не основа для создания одноатомных электронных устройств?

   Нано-процессор

Манипуляции веществом на молекулярном уровне уже затронули многие отрасли промышленности, не обошли они и электронику. Микропроцессоры и интегральные микросхемы строятся именно так. Ведущие страны вкладываются в дальнейшее развитие данного технологического пути — чтобы переход на наноуровень происходил быстрее, шире, и совершенствовался бы далее.

Кое-какие успехи, кстати уже достигнуты. Intel в 2007 году заявила, что процессор на базе структурного элемента размером в 45 нм разработан (представили VIA Nano) и следующим шагом будет достичь 5 нм. IBM собираются добиться 9 нм благодаря графену.

Углеродные нанотрубки

   Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки (графен), это один из наиболее перспективных наноматериалов для электроники. Они позволяют не только уменьшить размеры транзисторов, но и придать электронике поистине революционные свойства, как механические, так и оптические. Нанотрубки не задерживают свет, подвижны, сохраняют электронные свойства схем.

Особенно творческие оптимисты уже предвкушают создание портативных компьютеров, которые можно будет словно газету достать из кармана, или носить в виде браслета на руке, и по желанию как газету развернуть, и весь компьютер будет словно раскладной сенсорный экран высокого разрешения толщины бумаги.

Квантовомеханический эффект сверхвысокого магнитного сопротивления

   Эффект сверхвысокого магнитного сопротивления

Еще одна перспектива для приложения нанотехнологий и применения наноматериалов — разработка и создание жестких дисков нового поколения. Альберт Ферт и Питер Грюнберг в 2007 году получили нобелевскую премию за открытие квантовомеханического эффекта сверхвысокого магнитного сопротивления (GMR-эффекта), когда тонкие пленки металла из чередующихся проводящих и ферромагнитных слоев значительно изменяют свое магнитное сопротивление при изменении взаимного направления намагниченности.

Управляя при помощи внешнего магнитного поля намагниченностью структуры, можно создавать настолько точные датчики магнитного поля, и осуществлять такую точную запись на носитель информации, что ее плотность хранения достигнет атомарного уровня.

Плазмотроника

   Плазмотроника

Не обошла наноэлектроника и плазмотронику. Коллективные колебания свободных электронов внутри металла имеют характерную длину волны плазмонного резонанса порядка 400 нм (для частицы серебра размером 50 нм). Развитие наноплазмоники, можно считать, началось в 2000 году, когда ускорился прогресс в совершенствовании технологии создания наночастиц.

Оказалось, что передавать электромагнитную волну можно вдоль цепочки металлических наночастиц, возбуждая плазмонные осцилляции. Такая технология позволит внедрить в компьютерную технику логические цепочки, способные работать намного быстрее, и пропускать больше информации, чем традиционные оптические системы, причем размеры систем будут значительно меньше принятых оптических.

Развитие наноэлектроники в современном мире

Лидерами в области наноэлектроники, и электроники вообще, сегодня являются Тайвань, Южная Корея, Сингапур, Китай, Германия, Англия и Франция.

Самую современную электронику производят сегодня в США, а самый массовый производитель высокотехнологичной электроники — Тайвань, благодаря инвестициям японских и американских компаний.

Китай — традиционный лидер в сфере бюджетной электроники, но и здесь ситуация постепенно меняется: дешевая рабочая сила привлекает инвесторов от высокотехнологичных компаний, которые планируют наладить в Китае свои нанопроизводства.

Хороший потенциал есть и у России. База в области СВЧ, излучательных структур, фотоприемников, солнечных батарей и силовой электроники позволяет в принципе создавать наукограды наноэлектроники и развивать их.

Этот потенциал требует экономических условий и организации для проведения фундаментальных исследований и научных разработок. Все остальное есть: технологическая база, перспективные кадры и научная квалифицированная среда. Необходимы лишь крупные инвестиции, а это зачастую оказывается ахиллесовой пятой…

 

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

powercoup.by

Наноэлектроника – это… Что такое Наноэлектроника?

Наноэлектроника — область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нанометров.

Термин «наноэлектроника» логически связан с термином «микроэлектроника» и отражает переход современной полупроводниковой электроники от элементов с характерным размером в микронной и субмикронной области к элементам с размером в нанометровой области. Этот процесс развития технологии отражает эмпирический закон Мура, который гласит, что количество транзисторов на кристалле удваивается каждые полтора-два года.

Однако принципиально новая особенность наноэлектроники связана с тем, что для элементов таких размеров начинают преобладать квантовые эффекты. Появляется новая номенклатура свойств, открываются новые заманчивые перспективы их использования. Если при переходе от микро- к наноэлектронике квантовые эффекты во многом являются паразитными, (например, работе классического транзистора при уменьшении размеров начинает мешать туннелирование носителей заряда), то электроника, использующая квантовые эффекты, — это уже основа новой, так называемой наногетероструктурной электроники.

Наноэлектроника в России

В России ситуация с развитием наноэлектроники является неоднозначной. Микроэлектроника по сравнению с передним мировым фронтом в России развита достаточно слабо. В наноэлектронике Россия сохранила преимущества, которые были у Советского Союза. Это касается таких областей, как СВЧ-техника, инфракрасная техника, излучательные приборы на основе полупроводников. Россия является родиной одного из наиболее значимых электронных приборов — полупроводникового лазера, за который получил Нобелевскую премию академик Жорес Алфёров.

Во многих областях наноэлектроники стартовые позиции у России достаточно неплохие. На полупроводниковых наногетероструктурах с двумерным электронным газом основывается, например, сотовая связь. Здесь Россия не в лидерах, но сделанные ранее разработки в областях СВЧ, фотоприёмников, излучательных структур, солнечных батарей, силовой электроники и сейчас на очень хорошем уровне.

Государственные компании и программы

Ведущими разработками в области наноэлектроники в России занимаются:

Данные организации назначены головными в отрасли нанотехнологий по таким направлениям, как наноинженерия, наноэлектроника, нанобиотехнология.

Частные предприятия

АНО «Институт нанотехнологий МФК»(ИНАТ МФК) [11] — российская некоммерческая научно-производственная организация, работающая в сфере разработки и производства нанотехнологического оборудования, а также создания и практического внедрения технологий производства наноструктур и наноматериалов на их основе. Официальный сайт ИНАТ МФК http://www.nanotech.ru

ООО «АИСТ-НТ» — российская компания, созданная в Зеленограде в 2007 году. Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов для образования, научных исследований и мелкосерийного производства.

ООО «Нано Скан Технология» — компания, основанная в Долгопрудном в 2007 году. Специализируется на разработке и производстве сканирующих зондовых микроскопов и комплексов на их основе для научных исследований и образования.

ЗАО «Нанотехнология МДТ» — российская компания, созданная в Зеленограде в 1989 году. Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов для образования, научных исследований и мелкосерийного производства.

ООО НПП «Центр перспективных технологий» — российское предприятие, работающее в области нанотехнологий. Создано в 1990 г. Специализируется на производстве сканирующих зондовых микроскопов «ФемтоСкан», атомных весов и аксессуаров, а также на разработке программного обеспечения.

Концерн «Наноиндустрия» — интегрирующая научно-производственная компания, основанная в 2001 году. Деятельность Концерна сосредоточена на разработке конкурентоспособной нанотехнологической продукции, организации ее производства и рынков потребления.

Основные задачи наноэлектроники

• разработка физических основ работы активных приборов с нанометровыми размерами, в первую очередь квантовых;
• разработка физических основ технологических процессов;
• разработка самих приборов и технологий их изготовления;
• разработка интегральных схем с нанометровыми технологическими размерами и изделий электроники на основе наноэлектронной элементной базы.

См. также

dic.academic.ru

Наноэлектроника — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Наноэлектроника — область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нанометров.

Термин «наноэлектроника» логически связан с термином «микроэлектроника» и отражает переход современной полупроводниковой электроники от элементов с характерным размером в микронной и субмикронной области к элементам с размером в нанометровой области. Этот процесс развития технологии отражает эмпирический закон Мура, который гласит, что количество транзисторов на кристалле удваивается каждые полтора-два года.

Однако принципиально новая особенность наноэлектроники связана с тем, что для элементов таких размеров начинают преобладать квантовые эффекты. Появляется новая номенклатура свойств, открываются новые заманчивые перспективы их использования. Если при переходе от микро- к наноэлектронике квантовые эффекты во многом являются паразитными, (например, работе классического транзистора при уменьшении размеров начинает мешать туннелирование носителей заряда), то электроника, использующая квантовые эффекты, — это уже основа новой, так называемой наногетероструктурной электроники.

Наноэлектроника в России

В России ситуация с развитием наноэлектроники является неоднозначной. Микроэлектроника по сравнению с передним мировым фронтом в России развита достаточно слабо. В наноэлектронике Россия сохранила преимущества, которые были у Советского Союза. Это касается таких областей, как СВЧ-техника, инфракрасная техника, излучательные приборы на основе полупроводников. Россия является родиной одного из наиболее значимых электронных приборов — полупроводникового лазера, за который получил Нобелевскую премию академик Жорес Алфёров.

Во многих областях наноэлектроники стартовые позиции у России достаточно неплохие. На полупроводниковых наногетероструктурах с двумерным электронным газом основывается, например, сотовая связь. Здесь Россия не в лидерах, но сделанные ранее разработки в областях СВЧ, фотоприёмников, излучательных структур, солнечных батарей, силовой электроники и сейчас на очень хорошем уровне.

Государственные компании и программы

Ведущими разработками в области наноэлектроники в России занимаются:

Данные организации назначены головными в отрасли нанотехнологий по таким направлениям, как наноинженерия, наноэлектроника, нанобиотехнология.

Частные предприятия

АНО «Институт нанотехнологий МФК»(ИНАТ МФК) [11] — российская некоммерческая научно-производственная организация, работающая в сфере разработки и производства нанотехнологического оборудования, а также создания и практического внедрения технологий производства наноструктур и наноматериалов на их основе. Официальный сайт ИНАТ МФК http://www.nanotech.ru

ООО «Нано Скан Технология» — компания, основанная в Долгопрудном в 2007 году. Специализируется на разработке и производстве сканирующих зондовых микроскопов и комплексов на их основе для научных исследований и образования.

NT-MDT — российская компания, созданная в Зеленограде в 1989 году. Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов для образования, научных исследований и мелкосерийного производства.

ООО НПП «Центр перспективных технологий» — российское предприятие, работающее в области нанотехнологий. Создано в 1990 г. Специализируется на производстве сканирующих зондовых микроскопов «ФемтоСкан», атомных весов и аксессуаров, а также на разработке программного обеспечения.

Концерн «Наноиндустрия» — интегрирующая научно-производственная компания, основанная в 2001 году. Деятельность Концерна сосредоточена на разработке конкурентоспособной нанотехнологической продукции, организации её производства и рынков потребления.

Основные задачи наноэлектроники

wikipedia.green

Наноэлектроника – достижения и перспективы

Наноэлектроника – достижения и перспективы

Термин «наноэлектроника» относительно новый и пришел на смену более привычному для старшего поколения термину «микроэлектроника», под которым понимали передовые для 60-х годов технологии полупроводниковой электроники с размером элементов порядка одного микрона

Однако наноэлектроника связана с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами элементов на порядки меньше, не превышающими 100 нм, а иногда и 10 нм.

• Главной особенностью наноэлектроники является в первую очередь не простое механическое уменьшение размеров, а то, что для элементов таких размеров начинают преобладать квантовые эффекты, использование которых может стать очень перспективным. При переходе от микро- к наноэлектронике появляющиеся квантовые элементы зачастую мешают, например, работа обычного транзистора затрудняется из-за появления туннелироания носителей заряда, однако в новой электронике квантовые эффекты становятся основой.

Уже в 70–80 годы в полупроводниковую технику вошли такие наноразмерные структуры как гетеропереходы, сверхрешетки, квантовые ямы и квантовые точки, синтезируемые на основе многокомпонентных соединений изменяющегося состава. Для их создания были разработаны соответствующие технологические процессы, представляющие собой логическое развитие и совершенствование полупроводниковой классики: эпитаксии, диффузии, имплантации, напыления, окисления и литографии. В производство электронных компонентов стали внедряться такие технологии, как молекулярно-лучевая эпитаксия, ионно-плазменная обработка, ионно-лучевая имплантация, фотонный отжиг и многие другие.

• Одной из важных вех на пути развития наноэлектроники стало создание сканирующий туннельный микроскоп и атомно-силовой микроскоп.

Метод сканирующей туннельной микроскопии,изобретенный в начале 80-х, основан на квантовом туннелировании. Иглы-зонды из металлической проволоки подвергаются предварительной обработке (такой, как механическая полировка, скол или электрохимическое травление) и последующей обработке в сверхвысоковакуумной камере. Если приложить напряжение между иглой и образцом, то через промежуток потечет туннельный ток. Приложив несколько большее, чем при сканировании, напряжение между поверхностью объекта и зондом, можно добиться того, что к зонду притянутся один или несколько атомов, которые можно поднять и перенести на другое место. Прикладывая к зонду определенное напряжение, можно заставить атомы двигаться вдоль поверхности или отделить несколько атомов от молекулы. Именно так была в 1990 году сделана знаменитая надпись IBM из 35 атомов ксенона.

• Что касается атомно-силового микроскопа, то он представляет собой сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения и используется для определения рельефа поверхности с разрешением от десятков ангстрем вплоть до атомарного.

В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, с помощью атомно-силового микроскопа можно исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности. Кроме того, с помощью атомно-силового микроскопа можно изучать взаимодействие двух объектов: измерять силы трения, упругости, адгезии, и, так же, как и с помощью туннельного, перемещать отдельные атомы, осаждать и удалять их с какой-либо поверхности.

Следующим открытием, по мнению многих ученых, определившим облик электронных схем будущего, стало появление нанотрубок и графена.

• Нанотрубка представляет собой цилиндрическую структуру толщиной в несколько атомов, которая в зависимости от размера и формы может обладать проводящими либо полупроводниковыми свойствами. Например, если трубка прямая, она является проводником, а если скручена или изогнута — полупроводником. Нанотрубки могут придать электронным схемам революционные механические и оптические свойства, или, говоря простым языком, сделать электронику гибкой и прозрачной. Нанотрубки более подвижны и не задерживают свет в тонком слое, так что опытные матрицы с интегральными схемами можно изгибать без потери электронных свойств. Оптимисты предсказывают, что не за горами день, когда ноутбук можно будет носить в заднем кармане джинсов, потом, сев на скамейку, развернуть до размера газеты, причем вся его поверхность станет экраном высокого разрешения, а после этого снова свернуть и, скажем, превратить в браслет на запястье.
• Графен – один из самых известных видов материалов, при создании которых использовались нанотехнологии. Графен – двумерный кристаллический углеродный наноматериал, который можно представить себе как пластину, состоящую из атомов углерода. Данный материал обладает уникальными токопроводящими свойствами, которые позволяют ему служить как очень хорошим проводником, так и полупроводником. Кроме того, графен чрезвычайно прочен и выдерживает огромные нагрузки, как на разрыв, так и на прогиб. В настоящее время графен получают путем отшелушивания чешуек от частиц графита, однако существуют разработки, позволяющие получать данный материал в промышленных масштабах. Данный материал впервые получен и открыт группой российских ученых из Манчестерского университета.

Графен рассматривается как первый кандидат для применения в компьютерах, мониторах, солнечных батареях и гибкой электронике. В новом докладе «Углеродные нанотрубки и графен в прикладной электронике в 2011–2021 годах» IDTechEx прогнозирует, что УНТ и графеновые транзисторы станут доступными на рынке, начиная с 2015 года. По словам IDTechEx широкого применения оба материала найдут в печатной и потенциально печатной электронике, где стоимость этих устройств, которые частично будут включать эти материалы, будет достигать более $ 44 млрд в 2021 году.

• Изобретение транзистора в 1947 привело к бурному развитию транзисторных полупроводниковых технологий, которые легли в основу современной электроники. За полвека транзистор уменьшился примерно в сто тысяч раз по линейному размеру и в 1010 раз — по массе и сегодня мы наблюдаем появление нанотранзисторов, то есть транзисторов, размеры которых исчисляются нанометрами.

Уже сейчас микроэлектронной промышленностью в опытном порядке создаются транзисторы с размером рабочих элементов 20–30 нм. Они еще способны работать с обычными электрическими сигналами.

• Однако, при таком радикальном уменьшении линейных размеров происходит реальное изменение качества работы, так как свойства самих электрических сигналов в наномире оказываются существенно иными, нежели в микромире. Электрический ток теперь нельзя представлять в виде некоего подобия «электрической жидкости» или «электронного газа», протекающих через управляемый вентиль, поскольку в наномире на первый план выходит квантованность электрического заряда.

Первые работающие прототипы нанотранзисторов созданы еще 10 лет назад. В 2001 г. IBM представила первый одноэлектронный транзистор на базе нанотрубок. По мнению специалистов из IBM Research, в идеале нанотрубкой в таком транзисторе будет заменяться только элемент доступа. При этом исток, сток и сама архитектура транзистора остаются без изменений. Одна из особенностей нанотранзистора заключается в улучшенной емкостной связи между нанотрубкой и затвором, которая усиливает донорство как электронов, так и дырок, а также распространение заряда вдоль нанотрубки на большие расстояния.

• В то время, как одни исследователи видят будущее наноэлектроники за углеродными материалами, другие работают с традиционным кремнием. Ученые Кембриджского университета и Японской научно-технической корпорации (Токио) разработали одноэлектронный транзистор. Материалом для острова транзистора служит отдельный кластер аморфного кремния.

Проводящий канал транзистора (остров) отделён от стока истока туннельными барьерами из тонких слоёв изолятора, при этом размеры острова – 10 нм. Важной особенностью этого транзистора является то, что он функционирует при комнатной температуре, а, как известно, быстродействие и размеры компьютерных микросхем ограничены тем, сколько теплоты они выделяют. Это явление носит название резистивного нагрева.

• Совсем недавно, в 2011 году, физики из Техасского университета в Далласе (UT Dallas) собрали полевой транзистор из нанопроводов. Диаметр нанопроводов, изготовленных методом литографии, составляет всего 3–5 нм. В устройстве нет легированных полупроводниковых переходов и тем не менее его работа показывает высокую подвижность дырок, хорошую плотность тока, низкий ток утечки и целый ряд других привлекательных свойств.

Еще одной областью, в которой старые методы уступают место нанотехнологиям, является создание накопителей информации.

• Возможности современных накопителей информации приближаются к своему пределу и в этой связи чрезвычайно актуальной является проблема создания накопителей, работающих на новых принципах. Идеи из области нанотехнологий обращаются к различным физическим принципам.

Одним из подходов является создание схем одноэлектронной памяти, где два-три электрона хранят один бит информации (в современной микроэлектронной памяти для хранения одного бита информации задействовано около 10.000 электронов).

• Эффект хранения информации в ячейке памяти создается за счет нескольких туннельных переходов, которые определенным образом коммутированы с конденсатором хранения информации. Активными элементами выступают органические молекулы, расположенные в перекрестиях двойной ортогональной сетки перекрещивающихся печатных проводников.

Другая идея нанопамяти подсказана принципом считывания обычного патефона, в котором игла считывает аналоговую информацию. В цифровом варианте единице и нулю соответствуют ямки, выдавленные в полимерном носителе. Ширина каждой ямки – около 40 нм, а глубина – не более 25 нм. Запись осуществляется с помощью щупа высоко допированного кремниевого кантилевера путем локального разогрева – щуп выдавливает ямки в полимере. Считывание осуществляется с помощью того же щупа. Нагрев меняет электрическое сопротивление, что фиксируется и преобразуется в цифровой сигнал. Таким образом, в один квадратный сантиметр можно вместить порядка 500 гигабит информации.

• Совсем недавно ученые из Тайваня и университета Калифорнии сообщили о разработке памяти на базе наноточек, которые располагаются на слое изолятора и покрыты металлическим слоем, играющем роль затвора. Запись и считывание ведутся с помощью свехркоротких вспышек зеленого лазера, который выборочно активирует определенные участки металлического слоя, создавая затвор над определенной наноточкой. Скорость записи и стирания информации у такого запоминающего элемента в 50–100 раз выше, чем у современных устройств.

Мы видим, что переход к наноэлектронике в определенной степени базируется на достижениях микроэлектроники – использование уменьшающихся до атомарных размеров транзисторов и диодов и собранных из них схем. В то же время будущее сулит новые достижения на основе новых принципов работы на уровне отдельных атомов – использование квантовых эффектов, волновых свойств электрона и других явлений наномира.

http://nanodigest.ru/…-perspektivy

www.nanonewsnet.ru

Википедия — свободная энциклопедия

Избранная статья

Первое сражение при реке Булл-Ран (англ. First Battle of Bull Run), также Первое сражение при Манассасе) — первое крупное сухопутное сражение Гражданской войны в США. Состоялось 21 июля 1861 года возле Манассаса (штат Виргиния). Федеральная армия под командованием генерала Ирвина Макдауэлла атаковала армию Конфедерации под командованием генералов Джонстона и Борегара, но была остановлена, а затем обращена в бегство. Федеральная армия ставила своей целью захват важного транспортного узла — Манассаса, а армия Борегара заняла оборону на рубеже небольшой реки Булл-Ран. 21 июля Макдауэлл отправил три дивизии в обход левого фланга противника; им удалось атаковать и отбросить несколько бригад конфедератов. Через несколько часов Макдауэлл отправил вперёд две артиллерийские батареи и несколько пехотных полков, но южане встретили их на холме Генри и отбили все атаки. Федеральная армия потеряла в этих боях 11 орудий, и, надеясь их отбить, командование посылало в бой полк за полком, пока не были израсходованы все резервы. Между тем на поле боя подошли свежие бригады армии Юга и заставили отступить последний резерв северян — бригаду Ховарда. Отступление Ховарда инициировало общий отход всей федеральной армии, который превратился в беспорядочное бегство. Южане смогли выделить для преследования всего несколько полков, поэтому им не удалось нанести противнику существенного урона.

Хорошая статья

«Хлеб» (укр. «Хліб») — одна из наиболее известных картин украинской советской художницы Татьяны Яблонской, созданная в 1949 году, за которую ей в 1950 году была присуждена Сталинская премия II степени. Картина также была награждена бронзовой медалью Всемирной выставки 1958 года в Брюсселе, она экспонировалась на многих крупных международных выставках.

В работе над полотном художница использовала наброски, сделанные летом 1948 года в одном из наиболее благополучных колхозов Советской Украины — колхозе имени В. И. Ленина Чемеровецкого района Каменец-Подольской области, в котором в то время было одиннадцать Героев Социалистического Труда. Яблонская была восхищена масштабами сельскохозяйственных работ и людьми, которые там трудились. Советские искусствоведы отмечали, что Яблонская изобразила на своей картине «новых людей», которые могут существовать только в социалистическом государстве. Это настоящие хозяева своей жизни, которые по-новому воспринимают свою жизнь и деятельность. Произведение было задумано и создано художницей как «обобщённый образ радостной, свободной творческой работы». По мнению французского искусствоведа Марка Дюпети, эта картина стала для своего времени программным произведением и образцом украинской реалистической живописи XX столетия.

Изображение дня

Рассвет в деревне Бёрнсте в окрестностях Дюльмена, Северный Рейн-Вестфалия

ru.wikipedia.green