Наноэлектроника
Быть может, эти электроны –
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И памяти сорока веков!
Еще, быть может, каждый атом
-
Вселенная, где сто планет.
Но также, то, чего здесь нет.
В.Брюсов
Пришествие эры нанотехнологии, как всеобщего сис-темного подхода к решению самых трудных задач было стимулировано беспрецедентными темпами развития микроэлектроники. Поэтому большинство достижений в науке в первую очередь оценивается с точки зрения перспективности их использования в компьютерной технике, средствах связи и т.д.
1. Закон Мура
Динамика улучшения всех существенных параметров БИС описывается экспоненциальным законом. Такую динамику более 40 лет назад предсказал Г. Мур. В соответствии с этим происходит уменьшение размеров отдельных элементов, увеличение быстродействия, снижение энергопотребления и стоимости. Для того, что бы поддерживать полученные темпы роста ключевых параметров выпускаемой продукции и в дальнейшем, нужно к 2015 году уменьшить технологический шаг при производстве БИС до 10 нм (достигнутый результат в 2010 – 32 нм).
2. Основные функции наноэлектроники
В настоящее время можно согласиться с эквива-лентностью понятий нано(микро-)электроники и компьютерно-информационной техники.
Основные функции информационных систем:
- Обработка информации (центральная задача любого компьютера
- Хранение информации (долговременное и энергонезависимое)
- Передача информации (взаимодействие с другими устройствами)
- Преобразование информации (получение ее из внешней среды и трансформация в сигнал)
- Защита информации (как на физическом уровне, так и на программном)
С точки зрения новизны и радикальности подходов можно обозначить 3 основных парадигмы: развитие наноэлектроники путем путем совершенствования сущес-твующих «кремниевых» технологий, глубокое моди-фицирование планерной технологии и расспрос-транение ее на другие материалы, создание принципиально новой электроники на основе « некремниевых» устройств.
3. Фундаментальные пределы миниатюризации
- Термодинамические (т.к. есть конечная температура объектов)
2. Электродинамические (вызваны инерционностью емкости и индуктивностей с схеме)
3. Квантово-механические ( появляется при уменьшении характерных размеров объекта)
4. Совершенствование традиционной «кремниевой» электроники
Для того чтобы создать БИС на поверхности полупроводника, необходимо сформировать на ней в соответствии с заданной электрической схемой области с проводящими, диэлектрическими и полупроводниковыми свойствами. Очень важный момент создание БИС – это одновременное создание на поверхности чипа структуры, состоящей из огромного числа элементов (в настоящее время порядка миллиарда). Одно из узких мест в производстве микроэлектроники, лимитирующее даль-нейшую миниатюризацию, - перенос чертежа элек-трической схемы устройства на подложку – поверхность кремниевой пластины. По установившейся традиции она называется литографией (занимает наибольший вклад в производственные затраты)
Рис.1
4.1. Нанолитография
Ключевая стадия производства БИС- лучевая лито-графия ,которая предшествует созданию на поверхности пластик кремния электрической цепи. Современная промышленная микро- и нанолитография использует оптический способ переноса рисунка с шаблона на поверхность подложки, в связи с чем сам процесс часто называют фотолитографией. Для дальнейшего повышения раз-решения необходимо применять или более жесткое излу-чение, или переходить к альтернативным технологиям. Некоторыми общими задачами при разработке альтер-нативных методов является:
- Высокая производительность
- Высокая точность установки и совмещения масок-шаблонов
- Подбор высокочувствительного и контрастного резиста
Электронно-лучевая литография
Она может быть реализована двумя способами: проекционными, с помощью расфокусированного пучка, облучающего всю подложку сразу, и точечным, посредством хорошо сфокусированного пучка. В первом случае необходима маска-шаблон, как и в проекционной оптической литографии, а во втором – нет. Однако, несмотря на большое разрешение, безмасочная лито-графия обладает серьезным недостатком – низкой произ-водительностью, от точки к точке. Из-за этого она может применяться лишь в производстве высокоточных масок, которые затем используют многократно.
Ионно-лучевая литография
В целом она весьма похожа на электронно-лучевую, однако благодаря гораздо меньшей эквивалентной длине волны дает возможность работать при значительно меньшей апертуре.
Рентгеновская литография
Она может быть осуществлена с помощью пучка фотонов с длиной волны меньше 1 нм. Препятствием для быстрой массовой реализации является необходимость использования мощного и весьма громоздкого источника излучения, а также предварительного изготовления высокоточных масок в масштабе 1:1.
Литография в жестком ультрафиолетовом излучении
В качестве источника такового предлагается использовать плазму газового разряда. Основные проблемы – создание высокоточных, бездефектных масок и мощных источников ультрафиолетового излучения.
Многократная печать
Этот метод похож на типографическую печать со свинцовых матриц. Однако он требует высокоточных шаблонов, специфических полимерных материалов для перенесения рисунка с матрицы на подложку, покрытую золотом или серебром, и пока имеет невысокое разрешение.
Зондовые методы
Зондовые методы потенциально обладают очень высоким разрешением, относительной простотой осуществления и требуемого оборудования.
Наноимпринтинг
Этот способ считается самым перспективным из нелучевых методов нанолитографи. В своей идее он напоминает технологию производства грампластинок на виниловых дисках. Оназаключалась в выдавливании металлической матрицы в разогретую поверхность полимера. Предложено несколько вариантов осущест-вления данного процесса в наномасштабе. Это может быть и буквальное воспроизведение старой технологии на новом техническом уровне, и ряд модификаций, две из которых показаны на рисунке
Рис.2
4.2. Основные компоненты микросхем
Ключевую рол в микросхеме играют активные элементы – диоды и транзисторы. Пленка оксида кремния обладает высокими диэлектрическими свойствами и может служить в качестве материала маски. С уменьшением толщины пленки начинают сказываться квантовые эффекты туннелирования, что является фундаментальным препятствием миниатюрилизации таких приборов.
Характер изменения параметров МОП-структур при уменьшении их размеров в х раз
Табл.1
|
Параметры
|
Зависимость от х
|
|
Сделанные предположения
Размеры прибора
Концентрации лигатуры
Прикладываемое напряжение
Возможные последствия
Электрическое поле
Емкость
Подвижность носителей
Токовый дрейф
Время переключения
Мощность, рассеиваемая в одном цикле
Энергия, рассеиваемая в одном цикле
Плотность монтажа
|
1
1
|
4.3. Логические и запоминающие ячейки
Подавляющее большинство современных вычислительных машин для осуществления логически-арифметических операций и запоминания информации использует двоичный код. С этой целью необходимо создание большого количества однотипных ячеек. Ячейка должна обладать нелинейными свойствами. Желательно, чтобы входной сигнал имел туже природу, что и входной.
4.4. Передача данных
Соединения должны обеспечить:
- Передачу информации без искажений за минимально возможное время
- Подвод мощности для компенсации потерь энергии в устройстве
- Отвод тепла, обусловленный диссипацией энергии в устройстве
- Защиту от механических повреждений
4.5. Системы долговременной памяти
Целевой функцией устройств долговременной памяти является накопление и сохранение информации в течение длительного срока без обновления и энергопотребления. С точки зрения возможности записи и перезаписи пользо-вателем все системы хранения информации можно разбить на три класса:
- Носители, формируемые производителем: книги, грампластинки и т.д.
- Устройства и среды с возможностью однократной записи: фотопленка, перфокарты и т.д.
- Устройства и среды, допускающие многократные запись и перезапись: магнитофонная ленка, жесткий диск, RW, компакт-диски и т.д.
Магнитные средства хранения
Их конструктивной основой служит тонкая шайба из сплава алюминия и магния, покрытая для придания твердости и гладкости 10-микрометровым слоем стекла или аморфного фосфида никеля. Из простой теории вытекает, что разрешение растет с уменьшением зазора между головкой и магнитным слоями падением толщины последнего.
Магнитно-оптические системы
Принцип действия основан на магнитно-оптическом эффекте Керра, заключающемся в изменении плоскости поляризации плоскополяризованного света при взаимо- действии с намагниченной поверхностью. Средой, несу-щей информацию, является сой напыленного ферромаг-нетика, состоящего из железа, кобальта и тербия, толщи-ной около 25 нм.
Системы с изменением фазового состояния носителя
Этот подход заключается в локальном изменении фазового состояния носителя сфокусированным лазерным пучком, сохранении полученной фазы как угодно долго, обнаружении и считывании записанного бита неограниченное число раз без нарушения информации и при необходимости стирании ее, т.е. возвращения материала в исходное фазовое состояние.
Флэш-карточка
Одним из видов энергонезависимой памяти являются флэш-модули. Принцип их действия основан на использовании двухзатворных полевых транзисторов, один из затворов в которых называется «плавающим». Подзатворный диэлектрик в них имеет трехслойную структуру. Два наружных слоя - это, как правило, тра- диционный в кремниевой технологии оксид кремния, внутренний – из другого диэлектрика (например, нитрид кремния) с глубокими ловушками носителей.
5. Микроэлектроника «рядом с кремнием»
Что касается полупроводников из соединений элементов III и V групп, то они привлекают в первую очередь тем, что характеризуются высокой подвижностью носителей. Важное направление использования альтернативных полупроводников – создание оптоэлектронных приборов, в первую очередь лазеров, светодиодов, фотоприемников и т.п. Они нашли широкое распространение в телекоммуникациях, системах записи и т.д. Другой путь совершенствования микроэлектроники возможен на базе различных модификаций карбида кремния, соединений кремния и германия и напряженности кремния.
Пористый кремний
Кремний в различных модификациях позволяет преобразовать световую энергию в электрическую, что давно используется в солнечных батареях и фотоприемниках. Но обратный процесс – преобразование электрической энергии в оптическое излучение в нем крайне неэффективен вследствие некоторых особенностей его зонной структуры. Вскоре было сообщено и об эффективной электролюминесценции из пористого кремния. Этот материал получают электрохимическим травлением поверхности монокристаллического кремния в плавиковой кислоте.
Рис.3
Напряженный кремний
Разработки приборов с использованием напряженного кремния начались всего несколько лет тому назад, но компания Intel же применяет его в своих серийных чипах для увеличения скорости переключения ячеек. Детали технологии пока не раскрываются, однако ясно, что растягиваниекристаллической решетки деформирует электронные обитали ковалентных связей и
делает подвижность электронов в зонепроводимости более высокой в этом направлении
6. Электроника «без кремния»
В этом разделе будут рассмотрены некоторые перспективные направления развития «некремниевой» электроники, которые пока находятся в стадии фундаментальных разработок.
Наноэлектроника на нанотрубках и графене
В зависимости от хиральности, структуры и дефектности углеродные нанотрубки могут иметь самые различные транспортные свойства. Так , электропровод- ность, имеющая квазиодномерный характер, определяется зонной структурой, рассеянием на примесях и фононах. В бездефектных одностенных трубках с металлической проводимостью при низких температурах возможен баллистический режим переноса заряда, при котором величина проводимости определяется соотношением Ландау
где е–заряд электрона; 
–постоянная Планка.
Сопротивление такого проводника не зависит от его длины и составляет десятки килоом). Это очень удобно для внутричиповых соединений. Такой режим реализуется в случае, когда расстояние между контактами меньше длины свободного пробега, что вполне реалистично для условий применения нанотрубок в качестве соединительных проводников субмикронных длин. Экспериментально они были неоднократно испытаны в этом качестве и показали прекрасные результаты.
1.Головин Ю.И. Наномир без формул // под ред. проф. Л.Н.Патрикеева. – М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. – 543 с.: ил.
AlexVoevodskaya