Материалы и компоненты наноэлектроники

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 6

Свойства твёрдых тел зависят от их характерных размеров. Свойства твёрдых тел, у которых хотя бы один линейный размер менее 100нм, существенно отличаются от свойств объектов традиционной физики. [9].

Наночастицы представляют собой совокупности связанных атомов и молекул, называемые кластерами. Кластер радиусом один нанометр содержит примерно 25 атомов, причём большинство из них находится на поверхности кластера.

Наночастицы могут быть построены как посредством сборки из отдельных атомов, так и дроблением объёмного материала.

В качестве первого материала наночастиц использовали углерод в различных аллотропных состояниях. Аллотропия – это существование по крайней мере двух форм одного и того же элемента в твёрдом кристаллическом состоянии, которые отличаются пространственным расположением атомов.

На рисунке 5.1 представлена классификация аллотропных структур углерода.

Отличительная особенность углерода – способность его s и p - валентных электронов образовывать гибридные (смешанные) электронные орбитали в различных пропорциях. Этим и объясняется многообразие его химических соединений.

Смешанные формы углерода включают «графин», «металлический углерод», слоисто-цепочечный углерод, «супер-алмаз» в соответствии с рисунком 5.2

На рисунке 5.3 представлены промежуточные формы углерода. Степень гибридизации углеродных атомов в них выражена как , где n не целое, а дробное число . Эта группа делится на две подгруппы. Первая включает углеродные моноциклы, в которых . Вторая состоит из промежуточных форм с , таких, как фуллерен и углеродные нанотрубки.

Рисунок 5.2 – Смешанные формы углерода

Рисунок 5.3 Промежуточные формы углерода

Рисунок 5.4 Аллотропные формы углерода

Каждое валентное состояние характеризует и единственную аллотропную форму:

- тип гибридизации свойствен пространственному (трёхмерному) полимеру углерода – алмазу;

гибридизации свойствен плоскостному (двумерному) графиту;

- тип гибридизации свойствен линейно-цепочечному (одномерному) карбину в соответствии с рисунком 5.4.

Углеродные нанотрубки – цилиндрические молекулы диаметром 0, 5 нм и длиной до нескольких микрометров. Углеродные нанотрубки впервые были обнаружены в 1991 году как побочный продукт синтеза фуллерена . Фуллеренами называют класс молекул, состоящих из атомов углерода и образующих оболочки с 12 пятиугольными кольцами и двумя шестиугольными кольцами. Геометрия молекулы близка к форме футбольного мяча.

Возможности использования нанотрубок в молекулярной электронике существенно возрастают при переходе от чисто углеродных нанотрубок к химически модифицированным нанотрубкам. Благодаря наличию цилиндрической полости у нанотрубки удаётся внедрить в неё различные элементы.

5.1 Нанодиоды и нанотранзисторы на основе нанотрубок [2]

Путём химической модификации различных участков одной нанотрубки могут быть созданы сложные многофункциональные электронные устройства. На основе нанотрубок можно создавать выпрямительные диоды. Если в цилиндрическую нанотрубку внести дефекты или заменить хотя бы один из повторяющихся углеродных шестиугольников на семиугольник или пятиугольник то нанотрубка изогнётся в соответствии с рисунком 5.5.

С разных сторон относительно изгиба ориентация углеродных шестиугольников различна. С изменением ориентации шестиугольников по отношению к оси нанотрубки меняется ширина энергетической щели, положение уровня Ферми и др. Слева относительно изгиба нанотрубка обладает металлическими свойствами, а справа – полупроводниковыми. Рассматриваемая нанотрубка представляет собой гетеро-переход металл-полупроводник. Рас-сматривая левую и правую части нанотрубки изолированно, обнаруживаем, что с разных сторон относительно изгиба электроны уровня Ферми обладают разной энергией. Разница в энергиях приводит к переме-щению заряда и образованию потенци-ального барьера. Электрический ток в таком переходе течёт только в том случае, если электроны перемещаются из области нанотрубки с большей энергией Ферми в область с меньшей энергией. Это объясняет одностороннее протекание тока. Таким образом, изогнутая нанотрубка выполняет функцию выпрямляющего диода. Вольтамперная характеристика диода изображена на рисунке 5.6.

На рисунке 5.7 приведён перспективный вариант выполнения полевого транзистора на основе углеродной нанотрубки. Нанотрубка соединяет два золотых электрода. При приложении небольшого напряжения к затвору, которым является кремниевая подложка, по нанотрубке между истоком и стоком течёт ток. При этом элемент находится в состоянии «включено». Если напряжение к затвору не прикладывается, транзистор находится в состоянии «выключено». Отношение сопротивлений в выключенном состоянии по отношению к включенному превышает раз, что сравнимо со значениями для кремниевых полевых транзисторов. Время переключения такого прибора очень мало, а возможная частота переключения может составлять Гц, что на три порядка быстрее существующих транзисторов.

Золотые исток и сток можно сформировать методами нанолитографии, а диаметр соединяющей их нанотрубки составляет порядка одного нанометра. Такие малые размеры позволяют разместить на чипе огромное количество переключателей. При этом необходимо решать проблему тонких проводников для межсоединений. При уменьшении поперечного сечения медного проводника увеличивается его сопротивление и выделяющееся при протекании тока тепло. Нагрев может достичь таких значений, при которых возникает опасность плавления или испарения проводников. Однако углеродные нанотрубки диаметром 2 нм имеют чрезвычайно низкое сопротивление, что позволяет пропускать по ним большие токи без существенного нагрева. Это делает их пригодными для использования в качестве соединительных проводов. Высокая теплопроводность нанотрубок означает, что их можно использовать для быстрого отвода избыточного тепла с чипа.

На рисунке 5.8 представлен вариант транзистора, реализованного на Y-образной нанотрубке

Транзистор реализован на Y-образной углеродной нанотрубке. Подавая напряжение на одну из ветвей Y-нанотрубки, можно изменять ток, протекающий между двумя другими. При этом ВАХ такого нанотранзистора практически идеальна: ток течёт или нет.

Появление такого транзистора открывает возможность путём прецизионного позиционирования углеродных нанотрубок и управления их ростом создавать объёмные интегральные схемы в отличие от планарных, получаемых по кремниевой технологии.

Принцип действия полевого транзистора на основе металлической нанотрубки поясняется с помощью рисунка 5.9

Прибор использует эффект туннельного пробоя электронов через нанотрубку по отдельным молекулярным орбиталям. Из-за ограниченной длины нанотрубки её электронный спектр является дискретным.

Расстояние между отдельными уровнями примерно 1мэВ при длине нанотрубки 1000 нм. Такой характер расщепления уровней не сказывается на электропроводности нанотрубки при комнатной температуре, но полностью определяет её свойства при температуре ниже 1К.

Проводимость металлической нанотрубки обусловлена тем, что электроны туннелируют с верхнего заполненного уровня катода на проводящий дискретный уровень нанотрубки, а затем с нанотрубки на нижний незаполненный.

На основе полупроводниковых и металлических нанотрубок возможно создание полевых транзисторов, работающих как при комнатной, так и при свехнизкой температурах.

Устройство полевого транзистора на основе полупроводниковой нанотрубки иллюстрирует рисунок 5.10 а.

Нанотрубка расположена на непроводящей подложке и имеет контакты со сверхтонкими платиновыми проводами. В качестве затвора используется слой кремния.

Рисунок 5.10 – Полевой транзистор на полупроводниковой нанотрубке с платиновыми выводами: а) устройство полевого транзистора; б) проводимость трубки

Электрическое поле управляет концентрацией носителей в зонах делокализованных состояний. В полупроводниковой нанотрубке состояния валентной зоны отделены от состояний зоны проводимости энергетической щелью – запрещённой зоной.

Наличие запрещённой зоны обеспечивает малую концентрацию носителей в трубке, и она обладает малой проводимостью, что иллюстрирует рисунок 5.10, б. При подаче на затвор напряжения в области нанотрубки возникает электрическое поле, и изгиб энергетических зон изменяется. Концентрация дырок в валентной зоне и, соответственно, электропроводность возрастают по экспоненциальному закону.

При потенциале около 6 В концентрация дырок достигает макси-мального значения, а сопротивление – минимального. При этом нанотрубка становится металлической. В пределах нанотрубки туннелирование электрона происходит практически без рассеяния и без потерь энергии за счёт -электронных состояний, делокализованных на всю длину нанотрубки.

Включение внешнего электрического поля при подаче электрического потенциала на третий электрод смещает электронный уровень нанотрубки, и её проводимость уменьшается в соответствии с рисунком 5.11.

6 Перспективы развития проектирования и технологий электронной компонентной базы [10]

Развитие технологий, основными из которых для полупроводниковой электроники являются молекулярно-лучевая эпитаксия и технология создания структур КНИ, вместе с использованием современных методов электронно-лучевой литографии, зондовой нанолитографии и диагностики полупроводниковых нанообъектов методами просвечивающей электронной микроскопии, сканирующей туннельной микроскопии атомного разрешения и атомно-силовой микроскопии, обеспечивают качественно новый уровень разработки элементов кремниевой и гетероструктурной наноэлектроники. Новый этап в развитии полупроводниковй наноэлектроники открывается с созданием транзисторов и фотоприёмников на квантовых точках и нанотранзисторов, что послужит решением основных задач развития информационных технологий, телекоммуникаций, индустриальной и медицинской электроники. Перспективным представляется развитие методов зондовой нанолитографии, самосборки напряжённых эпитаксиальных гетероструктур и методов самоорганизации для получения полупроводниковых нанообъектов. Нанотехнологии, использующие эффекты самоорганизации, молекулярной и атомной самосборки станут альтернативой развитию существующих методов оптической, электронной и зондовой нанолитографии, применяемых при изготовлении нанообъектов за счёт уменьшения размеров макрообъектов. По прогнозам их применение может привести в конечном счёте к резкому, на несколько порядков величины, уменьшению стоимости таких сложных изделий, как процессоры и схемы памяти компьютеров будущих поколений. Именно в поиске новых подходов к решению проблемы воспроизводимого самоформирования сложных наноструктур с необходимыми для практического применения в наноэлектронике функциями состоит основная задача нанотехнологий в самом ближайшем будущем.

Литература

1.Аркадий Медведев, профессор МАИ. Нанотехнологии в электронике.13.12.2011

http: //www.elcomdesign.ru/reviews/ reviews_79html.

2. А.Игнатов и др. Классическая электроника и наноэлектроника. Издательство Наука.2009г.

3. Олег Спиряев. Новые достижения в наноэлектронике.18.10.2006г

.file: ///c: /qt/ccc/html

4. И.Шахнович.Технологии уровня 45 нм: 45, 32 далее везде? ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 2008, №2, с.102-109

5. http: //www.nanonewsnet.ru/2012/

6. Электроника. Энциклопедический словарь. М: «Советская энциклопедия», 1991г.

7. Физический энциклопедический словарь. М: «Советская энциклопедия», 1983 г.

8. NANOEDUCATOR – базовый прибор для научно-образовательного процесса в области нанотехнологии. «Датчики и системы» №2, 2009, с.43-45.

9. С.Е.Александров, Ф.Ф.Греков «Технология полупроводниковых материалов»: Учебное пособие.2-е изд. испр.- СПб.: Издательство «Лань», 2012-240с.

10 А.Л.Асеев. Наноматериалы и нанотехнологии для современной полупровод-никовой электроники. «РОССИЙСКИЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ» №1, 2006

11 Г.Н. Шелованова. Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Красноярск: ИПК СФУ, 2009.

Оглавление

1 Исторический подход к проектированию электронной компонентной базы................................................................................................................................. 1

2 Технологические методы создания интегральных микросхем..................... 3

2.1 Классическая литография [2].........................................................................3

2.2 Литография экстремальным ультрафиолетом (EUVL) [2]...........................7

2.3 Электронно-лучевая литография [2].............................................................8

2.4 Ионная литография [2]...................................................................................9

2.5 Рентгеновская литография [2]......................................................................10

2.6 Нанопечатная литография [2]......................................................................10

2.7 Литографически индуцированная самосборка наноструктур [2]...............11

2.8 Молекулярно-лучевая эпитаксия [2]...........................................................12

3 Обзор технологий в микроскопии [2]............................................................ 14

3.1 Просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ).................................16

3.2 Сканирующие электронные микроскопы (СЭМ)...................................... 17

3.3 Сканирующие зондовые и оптические микроскопы (СЗМ)......................18

3.4 Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ)........................................... 19

3.5 Атомарно-силовой микроскоп (АСМ)................................................... 20

3.6 Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля (СОМБП).............21

3.7 Методы сканирующей зондовой микроскопии........................................ 22

3.8 Методы получения информации о структуре вещества в нанометровом диапазоне с помощью СЗМ......................................................................................23

3.9 СТМ – метод постоянного тока (МПТ)..................................................... 23

3.10 СТМ – метод постоянной высоты (МПВ)...............................................24

3.11 СТМ – отображение работы выхода......................................................25

3.12 СТМ – отображение плотности состояний.......................................25

3.13 Режим спектроскопии............................................................................... 27

3.14 СТМ - - спектроскопия.................................................................... 27

3.15 CТМ - спектроскопия.....................................................................28

3.16 АСМ – атомная силовая микроскопия....................................................28

3.17 АСМ – метод постоянной высоты...........................................................29

3.18 АСМ – метод постоянной силы...............................................................30

3.19 АСМ – контактный метод рассогласования............................................31

3.20 АСМ – метод латеральных сил...............................................................31

3.21 АСМ – отображение сопротивления растекания..................................32

3.22 АСМ – контактная емкостная микроскопия (КЕМ).................................34

3.23 АСМ – метод модуляции силы................................................................34

3.24 АСМ – полуконтактные методы...............................................................35

3.25 АСМ-метод отображения фазы...............................................................36

3.26 АСМ-бесконтактные методы.....................................................................36

3.27 Электро-силовая микроскопия (ЭСМ).....................................................37

3.28 Магнитно-силовая микроскопия (МСМ)...................................................38

3.29 Метод зонда Кельвина..............................................................................38

3.30 Ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ)..................................39

3.31 Базовый прибор для научно-образовательного процесса [ 8]...............39

4 Обзор технологий изготовления компонентов электроники [2]................. 40

4.1 Нанотранзисторы на основе структур кремний на сапфире..............41

4.2 Нанотранзисторы с гетеропереходами..................................................48

4.3 MES FET-транзисторы................................................................................. 49

4.4 HEMT-транзисторы................................................................................. 50

4.5 Гетеротранзисторы с барьером Шоттки с высокой подвижностью заряда.............................................................................................................................51

4.6 Нанодиоды и нанотранзисторы с резонансным туннелированием.....52

4.7 Транзистор на квантовых точках............................................................54

5 Материалы и компоненты наноэлектроники.................................................56

5.1 Нанодиоды и нанотранзисторы на основе нанотрубок [2]........................ 59

6 Перспективы развития проектирования и технологий электронной компонентной базы [10]................................................................................................63

Литература.....................................................................................................................63

Оглавление....................................................................................................................64

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 56