наноэлектронные приборы и устройства

В работе рассмотрены приборы и устройства в наноэлектронике ...

Введение
1. Наноэлектронные приборы и их технологические основы…………….6
2. Наноэлектронные приборы с резонансным туннелированием..………8

Человечество во все времена стремилось улучшить условия своего существования. Для этого в первобытном обществе люди использовали различные орудия труда, несколько позже они приручили диких животных, которые стали приносить пользу человеческому сообществу. Шли годы, менялся мир, менялись люди и их потребности. Теперь большинство из нас уже не может представить себе жизнь без современных благ цивилизации, достижений науки, техники, медицины. Следующим шагом в этом развитии станет освоение нанотехнологий, в частности, систем очень малого размера, способных выполнять команды людей.

Такой лазер обеспечивает двукратное увеличение быстродействия, имеет в 10 раз меньшую стоимость компонентов и в 10—2000 раз меньшее энергопотребление.Использование наноустройств в космических исследованияхЗа последние тридцать лет организация ПАСА завершила начальный, разведывательный этап изучения ближайших объектов Солнечной системы. Дальнейшие работы будут связаны либо с полетами к более удаленным целям (в частности к Солнцу или Плутону), либо с аппаратами, способными решать значительно более сложные задачи, такие, как высадка на поверхность небесных тел, отбор образцов и их доставка на Землю. Для осуществления этих крупномасштабных и дорогостоящих исследований НАСА разработала обширный проект под названием «Программа развития технологий для исследований в глубоком космосе» и обозначением Х2000, в рамках которого, начиная с 2000 г., каждые два-три года в космос должны выводиться ракеты с усовершенствованным бортовым оборудованием, предназначенным для изучения Солнечной системы и даже ее окрестностей. Особое внимание уделяется уменьшению размеров космических аппаратов; для этого постоянно снижаются размеры и вес систем авионики (авиационной электроники, бортового оборудования летательных аппаратов).Рисунок 4 - Прогноз развития авионики.В решении этой задачи важную роль должно сыграть интегрирование микро- и нанотехнологий. На рис.4 представлены прогнозы изменения основных параметров (вес, объем, потребляемая мощность) бортовых электронных устройств. Современному состоянию электронной техники соответствуют данные левой колонки, относящиеся к космическому кораблю «Марс Пасфайндер».Первое поколение аппаратуры по проекту Х2000 соответствует интегральным системам авионики, в которых объединены функции управления и обработки данных, контроля за положением космического аппарата и его энергетическими установками, согласования режимов работы научных приборов и т. д. Дальнейшая миниатюризация оборудования и развитие техники автоматического управления должны привести к более высокой степени интеграции и созданию модульной, элементной архитектуры, предназначенной для эксплуатации в условиях длительных комических экспедиций. Новые системы авионики будут иметь значительно меньшее энергопотребление по сравнению с современными системами.Прототипом будущих однокристальных и многокристальных интегральных схем станет разрабатываемая по проекту Х2000 интегральная схема авионики, получившая название «Система на чипе» (System On A Chip, SOAC). Эта интегральная схема будет содержать систему управления энергетическими установками, систему датчиков, телекоммуникационные модули, центральный процессор и запоминающие устройства. Нанотехнология призвана обеспечить как миниатюризацию таких устройств, так и их интеграцию.Примерно к 2020 г. ожидается реализация программы новых компьютерных технологий, которая позволит не только преодолеть пределы полупроводниковой технологии, но и создать полностью автономные, высокоэффективные и низкоэнергетические «мыслящие космические аппараты». Безусловно, для этого потребуется применение нанотехнологий, поскольку обычная, цифровая вычислительная техника (даже с учетом ее успехов за последние годы и возможного создания в будущем суперкомпьютеров) не сможет соревноваться с биологическими системами в задачах распознавания образов, чувственного восприятия, управления в сложных условиях или адаптации к окружающей среде. В разделе «5-е поколение» (рис. 4) представлены две нанотехнологии, которые будут определять возможности космических аппаратов 2020 г.:Квантовый компьютерТакое устройство должно быть создано на основе объединения принципов традиционной вычислительной техники и квантовой физики. Хотя концепция квантового компьютера проста, этого нельзя сказать о ее реализации. Разработка квантового компьютера мотивируется двумя проблемами:Использование квантовых представлений, возможно, позволит решить математические задачи, недоступные обычным вычислительным методам.С точки зрения миниатюризации вычислительных устройств важен размер устройства, приходящийся на 1 бит информации. В последние годы в связи с развитием нанотехнологии и проблемами конструирования полупроводниковых микромеханических устройств ставится вопрос о доведении миниатюризации до квантового предела. Поэтому идея квантового компьютера, в котором носителями информации являются отдельные атомы, привлекает внимание ученых многих областей.Биомиметические устройстваБиомиметикой называется научное направление, связанное с имитацией биологических процессов. Это направление основано на исследованиях архитектуры, функций, механизмов и принципов действия биосистем. Ниже приводятся примеры биомиметических объектов, представляющих интерес для нанотехнологии:1 г ДНК может содержать столько же информации, сколько библиотека Конгресса США.Мозг человека содержит около 1014 внутренних связей и может осуществлять до 1016 операций в секунду, причем его работа отличается высокой точностью и очень низким энергопотреблением.В дальнейшем, когда исследования этих явлений позволят создавать небольшие и легкие устройства с низким энергопотреблением, НАСА сможет создавать и запускать космические зонды для решения задач, недоступных в настоящее время. Важнейший процесс в микро- и наноэлектронных производствах - литография. Стоимость процесса литографии, повторяющегося при производстве интегральной схемы до 20-25 раз, является определяющей в стоимости кристалла. В настоящее время есть уверенность в том, что прогресс в массовом производстве будет определяться развитием оптических степперов или степперов-сканеров с эксимерными лазерными источниками света на длинах волн 248, 193.4, 157 нм и, наконец, степперов в области так называемого экстремального ультрафиолета или мягкого рентгена на длине волны 13.4 нм. Это обеспечит возможность создания интегральных схем, сложность которых исчисляется миллиардами вентилей на одном кристалле.Основным прибором таких схем является МДП-нанотранзистор, который сохраняет свои усилительные свойства вплоть до длин канала 5 нм. Этот прибор наноструктурный во всех трех измерениях. Рабочие слои нанотранзистора имеют размеры 1-10 нм. Представляет большой интерес и одноэлектронный транзистор, который способен функционировать при комнатной температуре, если размер его элементов (островков) составляет по порядку величины 1 нм. Создание технологии изготовления регулярных полей таких островков открыло бы перспективу разработки одноэлектронных устройств памяти емкостью 1 Тбит.Наряду с оптической литографией получили развитие методы, с помощью которых уже теперь формируются отдельные наноструктуры и прототипы устройств (схем) на наноэлектронных приборах - ИМПРИНТ и электронная литография (табл. 2). Кроме того, использование современной оптической литографии в сочетании с приемами самоформирования и самосовмещения, а также прецизионных плазменных процессов позволяет реализовать нанотранзисторы с длинами каналов в суб-100 нм диапазоне, а на их основе создавать библиотеки элементов микропроцессоров, прототипы функциональных блоков для перспективных производств.1205865203835            Рисунок 5 - Схема многослойной структуры в исходном состоянии (а), после облучения протонами (б) и дозовая зависимость электросопротивления многослойной структуры в процессе облучения (в)1 - слой Со (верхний), 2 - слой Сu (нижний).ИМПРИНТ-литография основана на использовании штампа с нанорельефом, играющего ту же роль, что и шаблон в контактной оптической литографии. Штамп изготавливается методом электронной литографии и анизотропного плазмохимического травления. Нанорельеф "впечатывается" в полимер, покрывающий подложку, в условиях нагрева и высокого давления. Полимер с нанорельефом служит маской в последующих операциях (травление, имплантация и т.д.). С помощью этого метода была продемонстрирована возможность создания рекордных по разрешению и плотности структур. При этом достигнутое разрешение составляет около 6 нм, а расстояние между элементами структуры - 20-30 нм. Главные ограничения метода заключаются в трудностях совмещения штампов для формирования различных слоев структуры. Обычно число литографий в процессе производства интегральных схем достигает 20-25. Поэтому наиболее эффективной ИМПРИНТ-литография может быть, если для создания наноструктуры необходим только один процесс литографии, а для формирования остальных слоев структуры возможно использование приемов самосовмещения, ставших уже привычными в технологии КМОП-схем.Новый подход к формированию наноструктур, успешно сочетающийся с ИМПРИНТ-процессом, развит в РНЦ "Курчатовский институт" и основан на явлении селективного удаления атомов определенного сорта из двух- или многоатомных веществ в результате смещений атомов пучком ускоренных частиц. Такая модификация приводит к радикальным изменениям физических свойств материала, например, к переходу изоляторов - в металлы или полупроводники, немагнитных материалов - в магнитные, оптически прозрачных материалов - в оптически непрозрачные, позволяет формировать заданный рельеф на поверхности твердых тел и т.д. Метод дает возможность создавать одновременно многослойные структуры с различной геометрией, физическими и функциональными свойствами в разных слоях за счет облучения ионным пучком через одну и ту же маску, что обеспечивает совмещение элементов структуры в различных слоях с точностью около 1 нм. В результате возможно использование только одной маски (только одного штампа в ИМПРИНТ-процессе) для одновременной обработки нескольких слоев в многослойной структуре (рис. 5). Авторами работ продемонстрировано разрешение 15 нм при создании многослойных наноструктур.В электронной нанолитографии используют высокоэнергетичные пучки (100-200 эВ) сечением до 1-10 нм. На органических (например, ПММА) и неорганических резистах реализуется разрешение до 10 нм. Главным ограничением электронной нанолитографии является низкая производительность. Электронно-лучевая литография развита в Институте проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН , создан электронно-лучевой высоковольтный микрофабрикатор с пучком диаметром не более 20 нм, обеспечивающий "врисовывание" наноэлементов, например затворов полевых транзисторов, длиной 50-100 нм в заранее созданные оптической литографией контуры остальных областей транзисторной структуры. Другой пример применения электронной нанолитографии - разработка сверхчувствительного датчика Холла . Для его изготовления использовалась гетероструктура GaAlAs/GaAs с двумерным электронным газом. Благодаря высокой подвижности в холловском кресте реализуется баллистический транспорт электронов, а выходной сигнал становится пропорциональным средней величине магнитного поля в области чувствительности датчика и не зависит от пространственного распределения поля.     153924095250     Рисунок 6 - Центральная часть рабочего образца со сверхпроводящим алюминиевым кольцом и сужением (а) и кривые намагниченности двух колец при температуре 0.3 К (б).Верхняя кривая соответствует кольцу, приведенному на фотографии, нижняя - сплошному кольцу без сужения; каждый скачок на верхней кривой соответствует проникновению в кольцо одного кванта магнитого потока.На рис.