Подпишитесь на наши новости
Вернуться к началу с статьи up

НАНОЭЛЕКТРО́НИКА

  • рубрика
  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 22. Москва, 2013, стр. 11-14

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: В. В. Вьюрков, А. А. Орликовский

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/см2) 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.

Лит.: Hanson G. W. Fundamental of Nano­electronics. Upper Saddle River, 2008; На­но­элек­тро­ни­ка / Под ред. А. А. Ор­ли­ков­ско­го. М., 2009. Ч. 1: Вве­де­ние в на­но­элек­тро­ни­ку; Ба­зо­вые лек­ции по элек­тро­ни­ке / Под ред. В. М. Про­лей­ко. М., 2010. Т. 2: Твер­до­тель­ная элек­тро­ни­ка.

Вернуться к началу