Что такое интегрированные наносхемы?

Интегрированные наносхемы (ИНС) называют такие интегральные схемы (ИС), которые имеют нанометровые размеры элментов. Как известно, современные полупроводниковые ИМС имеют микрометровые размеры элементов, нижняя граница которых составляет около 0,1 мкм, а верхняя — десятки мкм.
В лабораторных условиях получены элементы с минимальным размером ≈ 0,01 мкм. Исследования показывают, что дальнейшее уменьшение размеров элементов для повышение плотности их компоновки уменьшает выход пригодных. Причинами этого является не только трудности технологического характера. В условиях, когда геометрические размеры элементов приближаются к нанометровым размерам, которые соизмеримы с длиной электронной волны, начинают все сильнее проявляться квантовые эффекты, характерные для волновых процессов (квантования, интерференция, туннелирование и т.д.), которые мешают нормальной работе приборов, построенных на использовании классических законов движения электронов. Как известно, для электронов, как и для других микрочастиц, характерно дуализм свойств. Если они взаимодействуют с «макрообъектами» микрометровых размеров и более, они проявляют себя как микрочастицы с массой,
равной 1/1840 массы протона и элементарным зарядом, равным 1. Именно эти и другие корпускулярные свойства электронов лежат в основе работы элементов ИМС. Если электроны взаимодействуют с объектами нанометровых размеров, которые называются кластерами, то они проявляют себя как волна. Максимальное количество атомов в кластере 106.
Согласно с де Бройлем, любое свободное движение микрочастиц с энергией

Безымянный

и импульсомБезымянный

сопровождается распространением плоской волны длиной Безымянный, которая зависит от Е и Р.Безымянный

где Безымянный — постоянная Планка, Безымянный и Безымянный — Масса и скорость микрочастицы

Безымянный

Если свободный (оторван от атома) электрон находится в твердом теле неограниченных размеров, то электронная волна может распространяться в любом направлении беспрепятственно. Ситуация кардинально меняется, когда свободный
электрон попадает в твердотельную структуру, например, брусок, толщина и ширина которого ограничены величинами а и b, соразмерными с длиной электрической волны Безымянный. В таком случае разрешенные значения волнового вектора К для этих
направлений определяют с выражений:

Безымянный

Безымянный

где n = 1, 2, 3 и т. д.
Для соответствующих этим значениям волнового вектора свободных электронов, то есть для электронов, движущихся в направлении толщины а и ширины бруска это означает, что они могут иметь только фиксированные значения энергии, то для этих направлений характерно дополнительное квантования энергетических уровней. Этот эффект получил название квантового ограничения. При таких условиях вдоль бруска могут двигаться электроны с любой энергией, которая соответствует этим выше значением волнового вектора Безымянный и Безымянный.
Запирание электрона с эффективной массой т в направлениях а и в приводит к увеличению его импульса на

Безымянный

Соответственно увеличивается его кинетическая энергия на величину

Безымянный

Изменение энергии сопровождается дополнительным квантованием энергетических уровней электронов.
Это приводит к тому, что электронные свойства наноразмерных структур существенно отличаются от объемных свойств соответствующего им материала. Взаимодействие электронных волн в наноразмерных структурах сопровождается их интерференцией. Благодаря наличию у электронов заряда можно управлять этим явлением с помощью электрических и магнитных полей. Специфическим свойством квантовых частиц нанометровых размеров, в том числе и электронов, является их способность туннелировать, то есть проникать через энергетический барьер даже тогда, когда их энергия меньше высоты барьера. Квантовое ограничение накладывает специфический отпечаток и на туннелирование электронов. Квантования их энергетических уровней в очень тонких потенциальных ямах, которые периодически повторяются, приводит к тому, что туннелирование через них имеет резонансный характер. Это означает, что туннельно просочиться через такую
структуру могут только электроны с определенной энергией. Вторым специфическим проявлением квантового ограничения на туннелирования является одноэлектронное туннелирования через тонкую диэлектрическую прокладку структуры
металл-диэлектрик-металл. В исходном положении границе раздела металл-диэлектрик нейтральные. В случае приложения к металлических обкладок потенциалов на них начинают накапливаться заряды. Это продолжается до тех пор, пока величина заряда не станет достаточной для отрыва и туннелирования через диэлектрик одного электрона. После туннелирования система металл-диэлектрик-металл возвращается в исходное состояние. Интересно, что при сохранении извне приложенного напряжения процесс одноэлектронного туннелирования повторяется. Рассмотренные выше специфические проявления квантового ограничения и другие размерные эффекты (например, уменьшение сопротивления проводников при уменьшении их размеров до средней длины свободного пробега электронов) используют для изготовления элементов ИНС.

Назначения. Назначение ИНС — дальнейшее совершенствование интегрированной элементной базы ЭА за счет использования в ней размерных ефектов, которые наблюдаются в кластерах.

Классификация. ИНС удобнее классифицировать по тем эффектами и явлениями, которые положены в основу работы их базовых элементов, с выполняеными функциями и некоторыми другими признаками. Различают ИНС, построенные на транзисторах на резонансном туннелировании; на одноэлектронных транзисторах, которые используют эффект фазовой интерференции электронов в вакууме; на атомном реле, коммутируемым электрическим полем управляющего электрода;
на спаренных квантовых точках; на комбинации нескольких наноэлектронных элементов и тому подобное. По выполняемым функциям ИНС классифицируют на такие, которые выполняют функции переключателей, логических элементов, запоминающих устройств и т. п.

Условные изображения и обозначения. Государственные стандарты на ИНС еще на стадии разработки. Пока для их условного обозначения используют цифру «3».

Строение. Один из базовых элементов ИНС-нанотранзисторов на резонансном туннелировании — это двухбарьерный диод на квантовых ямах, у которого потенциал ям и соответствующие резонансные условия контролируются третьим электродом (рис. 1, а). В нем потенциальные ямы создаются тонкими GaAs обкладками, отделенными друг от друга такими же тонкими диэлектрическими прокладками, которые создают тонкие потенциальные барьеры для электронов. Другой базовый элемент ИНС — одноэлектронный нанотранзистор — это конструкция, состоящая из двух последовательно включенных туннельных переходов между квантовыми точками (рис. 1, б). Туннелирования индивидуальных электронов контролируется потенциалом, приложенным к активного участка транзистора, размещенной внутри между двумя слоями тонкого диэлектрика.

Структура нанотранзисторов: а-на резонансном туннелировании; б - одноэлектронного: 1 - диэлектрические прокладки; 2 - GaAs обкладки; 3 - подложка.

Рис. 1. Структура нанотранзисторов: а-на резонансном туннелировании; б — одноэлектронного: 1 — диэлектрические прокладки; 2 — GaAs обкладки; 3 — подложка.

Разработан полевой нанотранзистор на углеродных нанотрубках (рис. 2.). Несмотря на все нюансы, связанные с получением бездефектных структур и малых по размерам элементов, технология их изготовления в своей основе остается прежней. Это планарно-эпитаксиальная технология, которая сегодня широко используется в производстве полупроводниковых ИМС.

Структура полевого нанотранзистора на углеродных нанотрубках: 1 - подложка; 2 - исток; 3 - нанотрубка; 4 - сток; 5 -изолированая прокладка

Рис. 2. Структура полевого нанотранзистора на углеродных нанотрубках: 1 — подложка; 2 — исток; 3 — нанотрубка; 4 — сток; 5 -изолированая прокладка

Работа. Как известно, потенциальные ямы для свободных электронов возникают в поле действия сил их притяжения, созданном нескомпенсированным положительным зарядом ядер. Энергия свободных электронов в потенциальных ямах квантуется Безымянный

где n — квантовое число, m — масса электрона, а — ширина ямы

Потенциал (глубина) ямы Безымянный, которым определяется притяжения свободных электронов в нескомпенсированного положительного заряда ядер, в транзисторах на резонансном туннелировании модулируется переменным напряжением (сигналом), приложенной к средней металлической обкладки (рис. 1, а). Выход электрона с ямы туннельным способом возможен, если Безымянный. Его вероятность возрастает при приближении Безымянный к Безымянный. В двохбарьерных транзисторах на резонансном туннелировании вероятность туннелирования растет как за счет увеличения энергии электронов, обусловленного квантовым ограничением, так и за счет резонанса электронной волны падающего с отбитой.
Аналогично осуществляется туннелирования, но периодически и только по одном электрону между квантовыми точками (рис. 1, б). Его вероятность, как и в предыдущем случае, растет с приближением энергии свободного электрона Безымянный к высоты потенциального барьера Безымянный которая меняется в соответствии с изменением потенциала активного участка транзистора, на которую поступает сигнал. Чтобы обеспечить одноэлектронное туннелирования, количество электронов в этом участке должно быть не более, чем 10. Это может быть достигнуто в квантовых структурах с размером около 10 нм, которые называются квантовыми точками. В полевых транзисторах (рис. 2) нанотрубка выполняет роль канала, проводимость которого модулируется потенциалом, приложенным к подложке.

Свойства. Основными преимуществами ИНС является увеличение плотности компонирования элементов, повышение рабочих частот, экономия электроэнергии. Так, например, транзисторы на резонансном туннелировании имеют размеры около 10 нм, частоты переключения ≈ 1012 Гц, что в 100 … 1000 раз выше чем в найлучших кремниевых транзисторах. В цифровых ИНС на одноэлектронных транзисторах один бит информации может быть представлен наличием или отсутствием электрона. В таком случае однокристальная схема памяти емкостью 1012 бит, разместится на кристалле площадью 6,45 мм2. Рабочие частоты интегрированных квантовых транзисторов, в которых конденсаторы контролируют траекторию и фазовую интерференцию электронов в вакууме, достигают 1011-1012 Гц.

Применение. Широкое применение ИНС ожидается в логических и запоминающих устройствах ЭВМ, персональных компьютерах, микропроцессорах, калькуляторах и т. п.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*