Наноэлектроника без пафоса

Интегральная схема для «чайников». Преодоление предела умножения транзисторов по Муру

Большинство современных интегральных схем (микросхем, кристаллов, чипов) строится по логике CMOS (рус. КМОП - комплементарная структура металл-оксид-полупроводник), где каждый логический элемент состоит из пары взаимодополняющих полевых транзисторов. Транзистор – ключевой радиоэлектронный компонент, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи, переключаясь между двумя состояниями: «малый сигнал - большой сигнал» или «закрытое состояние - открытое состояние». Его рабочее тело - поток носителей заряда.

В основе создания микросхем лежит элементная (технологическая) интеграция, производимая по разработанной электрической схеме.

Подчиняется технология следующей закономерности: по мере усложнения функционала электронного устройства неизбежно растёт количество элементов и межэлементных соединений схемы.

Активные и пассивные элементы наносятся в определённых координатах кристалла (подложки) посредством легирования различными примесями. Обычно этому предшествует несколько этапов, включая фотолитографию (обработку подложки ультрафиолетом по «трафарету», определяющему будущую топологию схемы). От длины волны света или волн иной природы (т.е. от разрешающей способности методов литографии) зависит и «размерность» технологического процесса, выражаемая в микрометрах (10^-6м) или нанометрах (10^-9м). «Размерность» технологического процесса определяет размер транзисторов и степень интеграции элементов на полупроводниковом кристалле из кремния (редко – из германия или сапфира). Современные интегральные схемы могут нести сотни миллионов транзисторов в одном кристалле (многоядерные процессоры - и миллиарды), причём размер индивидуальных компонентов составляет всего десятки нанометров.

Изменение числа элементов интегральной схемы в XX веке происходило по скорректированному жизнью закону Мура (Гордона Мура из Intel), т.е. количество транзисторов удваивалось примерно каждые 24 месяца. Вместе с тем росло и потребление энергии для перемещения электронов в высокоскоростных устройствах, и расходы на «чистое» производство, усугублялись проблемы теплоотвода и топологии. К тому же, все тела состоят из атомов, межатомное расстояние – 0,3 нм, значит, миниатюризация не может быть бесконечной. По сути, в последние годы микроэлектроника уже перетекла в наноэлектронику. И сейчас человечество как раз стоит на так называемом размерном пороге, когда дальнейшее уменьшение кремниевых компонентов ограничивается рядом препятствий: возможностями литографии, неравномерным распределением примесей в микрокластерах полупроводника, проявлением квантовых свойств электрона.

Дальнейшее уменьшение кремниевых компонентов ограничивается рядом препятствий: возможностями литографии, неравномерным распределением примесей в микрокластерах полупроводника, проявлением квантовых свойств электрона.

Изменение физических свойств полупроводника при уменьшении его размера до нескольких нанометров приводит к нарушению работы традиционных транзисторов, использующих закономерности поведения электрона как частицы, а не волны. Но именно волновые, квантовые, закономерности выходят на первый план в нанометровом масштабе.

Профессор МФТИ, руководитель лаборатории низкоразмерных структур атомного масштаба ИРЭ им. Котельникова Сергей Зайцев-Зотов увлекательно рассказал о собственных экспериментах с размерными эффектами в проводах на postnauka.ru. Он напомнил, что при традиционных размерах транзисторов и проводов всё происходит по обычному трёхмерному сценарию: проводимость описывается законом Ома, индивидуальный электрон с одного электрода достигает другого независимо от «собратьев», примесь немного меняет сопротивление и т.д. Но при уменьшении размеров провода ещё задолго до атомного уровня вся физика меняется радикально.

Ещё до развития наноконструирования учёные экспериментировали с подручными объектами: провода из антимонида индия (InSb) диаметром 5 нм получали путём залития этим полупроводником трубочек асбеста. Оказалось, что в наноразмерном проводе не соблюдался закон Ома - вольт-амперная характеристика из линейной превращалась в степеннýю, проводимость менялась в миллион раз, реакция на примеси тоже была степеннóй. Дело в том, что при «запирании» электрона в пространстве всего в несколько нанометров (в двух направлениях из трёх) его поперечное движение начинает квантоваться (энергия может принимать лишь дискретные значения), расстояние между квантовыми уровнями растёт по мере уменьшения поперечных размеров нанопровода. Между 2-мя контактами возникает квантование проводимости – формируется несколько каналов с разной величиной проводимости. В тонких нанопроволоках электрон не может достичь второго контакта, минуя другие электроны - он их проталкивает перед собой, при этом между частицами возникает сильное кулоновское взаимодействие, разделяется перенос спина и заряда. А это уже совершенно иной механизм проводимости, отличный от наблюдаемого в обычных электронных материалах.

Резерва миниатюризации на несколько десятилетий ещё хватит. Сейчас технологический процесс позволяет производить элементы размером 22 и даже 14 нм, наверняка будет преодолён рубеж в 12 нм, а дальше физики расходятся во мнениях. Однако на висящий в ноосфере вопрос «Есть ли кремниевая жизнь за пределами 12 нм?» крупнейшие производители электроники намерены ответить делом, создав транзистор размером 7 нм

А вот отсутствие дальнейшего прогресса может привести к неприятным последствиям – «уходу» денег из этой области. К тому же, при всех достоинствах, кремниевая интегральная электроника не очень хорошо работает в экстремальных условиях, например, космических. Пришло понимание того, что в отдалённой перспективе она не сможет полностью удовлетворять потребности человечества.

В отдалённой перспективе кремниевая интегральная электроника не сможет полностью удовлетворять потребности человечества.

То есть технология CMOS будет жить и дальше в наномасштабе, полностью удовлетворяя обычные потребительские нужды: она надёжна и проработана до мелочей, под неё «заточены» предприятия электронной промышленности. Но параллельно продолжит развиваться другая, радикально отличающаяся от интегральной, электроника, которая какое-то время будет исключительно нишевой.

В литературе, например, встречается термин «функциональная микроэлектроника», описывающий технологии реализации нужных приборных функций, основанные на придании локальному объёму твердого тела необходимых свойств без представления функции в виде эквивалентной электрической схемы. «Функциональные» микросхемы могут создаваться из различных материалов: полупроводников, сверхпроводников, сегнетоэлектриков, фотопроводящих материалов и др. Для работы с информацией в таких системах можно использовать не только электропроводность, но и оптические и магнитные явления в диэлектриках, закономерности распространения ультразвука, эффекты, связанные с изменением свойств объектов на молекулярном и атомном уровнях.

Таким образом, разработка всевозможных гибридных и альтернативных подходов, дополняющих CMOS и кремний вообще или конкурирующих с ними, - необходимое условие эволюционирования электроники. Как ни парадоксально, но мешающие миниатюризации интегральных схем квантовые эффекты открывают огромные перспективы для развития альтернативной электроники, использующей экзотические переключатели, материалы и приёмы обработки информации. И эта новая электроника строится преимущественно на нанотехнологиях.

Знакомьтесь: наномир. От биологов с любовью...

Оговоримся сразу, настоящие нанотехнологии осваивают не деньги, а атомы и молекулы. Да, термин набил оскомину, но что поделать – наномасштаб ведь не виноват?

В нанотехнологиях размер, конечно, важен (1-100 нм как минимум в одном измерении), однако, не сам по себе, а как «ворота» в абсолютно новые свойства веществ (размерный эффект), позволяющие совершенствовать материалы и приборы, находить им иные применения.

Академик РАН, заведующий кафедрой физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Алексей Хохлов в монологе на сайте postnauka.ru заметил:

«Наиболее ударные направления физики и химии XX века лежали в области меньше нанометра: структура атома, структура ядра, различные атомные и ядерные процессы... Можно увидеть, что интервал от 1 до 400 нм фактически оставался неисследованным. Вместе с тем наиболее интересные свойства материалов, если речь не идёт о монокристаллах, обусловлены структурой материи в этих масштабах».

А вот биологи в то же самое время очень даже интересовались этим интервалом. Дело в том, что пионером в применении нанотехнологий ещё задолго до появления человека была природа: вся живая клетка и даже доклеточные вирусы - сплошные нанотехнологии. Не удивительно, что проводником в наномир стала биология. Для нужд молекулярных биологов и вирусологов, изучающих процессы реализации наследственной информации и вообще функционирование клетки, конструировались микроскопы с разрешающей способностью в нанометровом диапазоне и прочий «тонкий» инструментарий.

После определённых биологических достижений нанотехнологии распространились в материаловедение и химию. Кстати, в XX веке многое из того, что сейчас относится к нанотехнологиям, называлось коллоидной химией. Разумеется, затем термином воспользовались чиновники-популисты, а инструментарием и подсмотренными у природы механизмами - физики, электронщики и т.д.

...но с возвратом!

«21 век - век изучения живых систем, это мировой мегатренд. Посмотрите публикации Массачусетского технологического института, ведущего физического университета мира, - половина будет в области медицины и живых систем. В 20-м веке у людей в основном получалось изучать неживую природу, а в 21 веке наука развилась достаточно для того, чтобы как следует заняться живой природой. Поэтому то место, которое в 20-м веке занимала физика, теперь заняла биология, да и вообще это разделение больше не актуально... Ракеты мы делаем, просто они отошли на второе место. Физика сейчас очень нужна как фундамент, инструмент химии и биологии. Посмотрите, самые прорывные медицинские центры в мире выросли из естественно-научных университетов», - говорит руководитель Центра живых систем Московского физико-технического института (МФТИ), профессор Андрей Иващенко. Поддерживает его мнение и лауреат Нобелевской премии по химии биофизик Майкл Левитт. Помимо указанного Центра в МФТИ недавно были открыты факультет биологической и медицинской физики, Геномный центр и Центр клеточных технологий, а скоро подоспеет и биофармкластер «Северный». Судя по всему, в новом столетии произойдёт глубочайшее взаимопроникновение разных наук. И наноэлектроника уже становится одной из точек слияния физики, химии, материаловедения, инженерного дела, биологии и медицины.

Разделение физики и биологии в 21-м веке больше не актуально.

Самые интересные наноэлектронные разработки ориентированы даже не просто на диагностику патологий (например, сверхчувствительные датчики), а на персональную медицину – совмещение диагностики с лечением, построенное на особенностях конкретного организма.

Наноинструментарий и наноматериалы: как укротить «дух» вещества?

Следует понимать, что наноматериалы человек использовал с древности, но делал это абсолютно неосознанно. Например, жители Древнего Вавилона, производя цветное стекло, не знали, что его цвет определялся включением наночастиц золота. Более того, в дамасской стали обнаружены существенные включения углеродных нанотрубок, видимо, вносящие вклад в легендарную прочность оружия. Заподозрить мастеров в «тайном знании», конечно же, нельзя. Всплеск интереса к нанотехнологиям произошёл именно в конце XX века потому, что биологи и физики научились целенаправленно изучать и создавать наноразмерные объекты. Этого бы не произошло, не будь в 80-е годы изобретена сканирующая зондовая микроскопия. Подробно её типы освещены, например, в этой книге.

Зондовые микроскопы позволяют получить трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высочайшим разрешением и различаются преимущественно типом зонда. Наиболее востребованы следующие устройства с различными модификациями:

1) Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Металлическое остриё (зонд, игла) и проводящая поверхность исследуемого образца образуют туннельный переход, измеряется величина электротока туннельного перехода. Применяют СТМ для исследования проводящих поверхностей.

2) Сканирующий силовой микроскоп (ССМ). Зонд – микроигла из кремния или его нитрида, закреплённая на упругой микроконсоли – кантилевере. Регистрируется сила взаимодействия между микроостриём и поверхностью образца, проводящие свойства которого роли не играют. Синонимичное название - атомно-силовой микроскоп (АСМ), отражающее уровень разрешения силового взаимодействия.

Объекты наноэлектроники настолько малы, что просто необходимо досконально изучить их межатомные взаимодействия и квантовомеханические свойства. Зондовые микроскопы как раз предоставляют возможность не только увидеть атомную и молекулярную структуру образца, но и воздействовать на неё. Пространственное разрешение СТМ и АСМ достигает тысячных долей нанометра. Более того, структуру и свойства поверхности можно изучать в различных средах: вакууме, воздухе, чистых жидкостях и растворах, в том числе, электролитов.

Для специфических целей используют и другой метод зондовых исследований - ближнепольную оптическую микроскопию (БОМ), где изображение строится в оптическом диапазоне, в т.ч. видимого света, но разрешение во много раз выше, чем у традиционных оптических микроскопов.

Профессор Цукубского университета (Япония) Дмитрий Гольберг в монологе для проекта «Постнаука» рассказывает: «Я работал в Японии на передовых электронных микроскопах с увеличением в 2-2,5 млн раз, которые «видят» атомы индивидуально, имеют пространственное разрешение 80 или 60 пикометров, т.е. Вы видите атомные связи, лёгкие атомы. В 2006 году я пришёл к выводу, что электронный микроскоп - это еще и великолепный инструмент для изучения свойств наноматериалов... Я пришёл к идее использования различных наноманипуляторов в микроскопах. В одном эксперименте можно мерить оптические (с помощью оптических волокон и лазерного диода), электрические, механические свойства (растяжение, деформацию) индивидуального наноматериала... Это то, что нужно для гибкой электроники. Например, следующие часы могут быть обёрнуты вокруг Вашего запястья, и под светом Вы можете генерировать фототок, которого достаточно для того, чтобы показывать время. Но для этого не требуется никаких затрат энергии, за исключением Солнца, которое будет светить ещё долго». По словам учёного, сейчас таким способом исследуется 50-60 наноматериалов.

Разработка наноматериалов основана на принципе приобретения объектами новых свойств при изменении размера.

Оптические свойства, жёсткость, проводимость могут радикально меняться даже при манипуляциях с числом атомов в наночастицах. Это позволяет создавать целую палитру материалов на основе одного вещества. Было замечено, например, что если объект становится существенно меньше длины световой волны (менее 100 нм), то он иначе реагирует на свет – наноразмерный кусочек полупроводника может превратиться в квантовую точку – яркий источник света, цвет которого определяется только размером кусочка. Многие из приобретённых свойств можно «перетащить» и в макромир, изготовив материалы из микроскопических волокон или наношариков, например.

Сейчас бурно развивается разработка композитных материалов. Для одно- и двумерных объектов достаточно легко задать уникальные показатели проводимости, прочности и теплопроводности. Ограничение последней в стандартных микроэлектронных материалах давно вызывает головную боль у инженеров, ведь производительность скоростных процессоров сильно ограничивается именно невозможностью адекватного отведения тепла. Помочь могут композиты, например, с включениями конгломератов из наноразмерных структур с огромной теплопроводностью.

Огромное внимание уделяется разработке различных приложений нановолокон (их диаметр или два характеристических размера - менее 100 нм и существенно меньше длины): нанотрубок (из углерода, в основном) и нанопроволок. Последние ещё называют нитевидными нанокристаллами (ННК) и производят в виде ультраплотных слоёв из различных материалов: металлов (Ni, Pt, Au), полупроводников (Si, InP, GaN), диэлектриков (SiO₂, TiO₂) и даже органических молекул (ДНК). Оптические свойства НКК и гетероструктур с ними можно использовать для конструирования светоизлучающих и детектирующих приборов: лазеров, фотодетекторов, светодиодов и др. Предпринимаются попытки использовать ННК в фотовольтаике в качестве солнечных батарей, перспективны они и для создания электронных компонентов типа p-n-переходов и транзисторов, пьезоэлектрических устройств, а также наносенсоров для обнаружения химических примесей и биообъектов, например, вирусов.

Углеродные нанотрубки рассматриваются в качестве замены металлических проводников в микросхемах новых поколений, т.к. их удельная проводимость соизмерима с таковой металла, а максимальная плотность тока в десятки раз выше. Эти так называемые квантовые провода планируют использовать, например, в квантовых компьютерах с низким энергопотреблением. Такие провода раз в 6 легче, чем медные, что внушает оптимизм представителям космической промышленности, размышляющим над оптимизацией летательных аппаратов.

Некоторые модификации углеродных нанотрубок - прямозонные полупроводники, т.е. в них может происходить рекомбинация электрон-дырочных пар, приводящая к испусканию фотона. Это явление относит углеродные нанотрубки к материалам оптоэлектроники.

На основе нанотрубок, работающих как детекторы, в 2007 году сконструировали нанорадио, способное принимать радиоволны и преобразовывать их в звуковые. Были созданы из углеродных нанотрубок и полевые транзисторы. Однако предстоит устранить и некоторые ограничения для рутинного применения этих объектов - чувствительность к факторам окружающей среды и необходимость специфической обработки из-за различий в проводимости индивидуальных трубок при производстве. В настоящее время нанотрубки получены не только из углерода, но и из нитрида бора, карбида кремния, оксидов переходных металлов и др.

И ещё один неприятный момент - промышленное производство нановолокон, возможно, потребует разработки определённых санитарных норм, связанных с защитой респираторных путей человека (по аналогии с асбестовым производством).

Наверное, каждый слышал и о таком новом классе соединений, как фуллерены. Молекула фуллеренов представляет собой замкнутую поверхность («оболочку сферы») из пяти- и шестиугольников, в вершинах которых расположены атомы углерода (С_n, где n - число атомов, всегда чётное). Толщина сферической оболочки - 0,1 нм. Наиболее интенсивно изучаются молекулы C₆₀ («футбольный мяч») и C₇₀ («мяч для регби»). Радиус молекулы С₆₀ - 0,357 нм. Фуллерены полимеризуются под ультрафиолетом, а в химических реакциях ведут себя как сильные окислители, легко присоединяя различные радикалы. Таким образом формируются химические соединения с очень разными физико-химическими свойствами, например, ферромагнитные или высокотемпературные сверхпроводящие материалы, полимерные плёнки.

В электронике фуллерены планируют применять в качестве отдельных наноразмерных устройств (например, усилителей), оптических компонентов, сверхпроводников, а также для создания полимерных запоминающих устройств со сверхвысокой плотностью информации.

Показано, что фуллерен перспективен и как фоторезист (при травлении электронным пучком с маской из плёнки С₆₀ достигнуто разрешение около 20 нм). Молекулы фуллерена можно использовать в качестве присадки для ракетного топлива и противоизносных минеральных смазок, как включения в металлы и их сплавы (в том числе в литиевые катоды аккумуляторов), как катализаторы роста алмазов. Предлагается также использовать фуллереновые капсулы для захоронения радиоактивных отходов и доставки лекарственных веществ в организм. Прорабатывается и относительно деликатный вариант лучевой терапии раковых заболеваний на основе радиоактивных изотопов, включённых внутрь молекул фуллеренов. Здесь затруднительно не столько получение таких радиопилюль, сколько их адресная доставка в клетки опухоли. И вообще, «фуллереновый прорыв» сейчас сильно сдерживается дороговизной и многостадийностью синтеза и фракционирования этих уникальных молекул.

Возможно, благодаря несовершенству каждого наноматериала в отдельности, фантазия технологов в поиске идеальных решений заходит всё дальше, создавая гибриды с уникальными наборами свойств. Финская компания Canatu запатентовала новый материал Carbon NanoBud® (рус. «нанопочка»), структурная единица которого представлена молекулой фуллерена, ковалентно связанной с поверхностью углеродной нанотрубки. Химера наделена прочностными и проводящими характеристиками нанотрубок и высокой реакционной активностью (а значит, способностью к разнообразным, «безболезненным» модификациям) и адгезивностью фуллеренов. Нанобуд в виде суперпрозрачных плёнок наносится на полимерные субстраты, например, полиэтилен, и служит основой для высококонтрастных 3D или гибких сенсорных дисплеев CNB™ Touch Sensors. С декабря 2014 года материал уже начали выпускать по рулонной технологии (ширина рулона до 60 см) на подложке толщиной от 25 мкм.

Что же мы имеем (умеем)?

На данном этапе развития нанотехнологий стало возможным создавать электронные устройства на одиночных атомах, например, транзисторы. В сверхвысоком вакууме на поверхности проводника с помощью иглы сканирующего микроскопа можно переставлять атомы, создавая нужные структуры. Уже научились оперировать не только электрическим зарядом, но и магнитными моментами, спином электрона, звуковыми и световыми квантами, квантовыми состояниями в целом, органическими молекулами и т.д. Что-то «выстрелит» обязательно, что-то успеет устареть, не выйдя из лаборатории, но главное - наработок в наноэлектронике уже масса, а идей ещё больше...

При написании обзора также учитывались мнения учёных:

• А. Акимова, д.ф.-м.н., руководителя группы «Квантовые симуляторы» Российского квантового центра, исследователя в Harvard University (монолог на postnauka.ru).
• В. Климова, д.ф.-м.н., генерального директора ООО «Оптические наноустройства», Сколково (монолог на postnauka.ru).
• С. Полонского, Ph.D. in Device Physics, директора Samsung Advanced Institute of Technology, Russia (монолог на postnauka.ru).

Ольга Волкова.

© ИВФ «Микротех», полное или частичное копирование материала без указания прямой ссылки на первоисточник запрещено.

Просмотров - 27036 Добавлено - 3 января 2015