Наноэлектроника

А. А. Щука

НАНОЭЛЕКТРОНИКА

5е издание, электронное

Под ред. академика РАН
доктора физикоматематических наук
А.С. Сигова

Рекомендовано
 

УМО вузов РФ по образованию
в области прикладной математики и физики 
Министерства образования и науки Российской Федерации 
в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных  заведений, 
обучающихся по направлению подготовки 
«Прикладные математика и физика»

Москва
Лаборатория знаний
2020

УДК 621.38-002.532
ББК 32.85 я73

Щ94

С е р и я о с н о в а н а в 2006 г.
Р е ц е н з е н т ы:

заведующий кафедрой вакуумной электроники МФТИ
доктор ф.-м. наук, академик РАН А. С. Бугаев

генеральный директор компании «Нанотехнологии МДТ»
доктор техн. наук, профессор В. А. Быков
Щука А. А.

Щ94
Наноэлектроника : учебное пособие / А. А. Щука ; под
ред. А. С. Сигова. — 5-е изд., электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2020. — 345 с. — (Нанотехнологии). — Систем.
требования: Adobe Reader XI ; экран 10".— Загл. с титул.
экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-730-1
Рассмотрены основные направления развития современной
электроники,
использующей
физические
эффекты,
имеющие
место в наноструктурах. Проанализированы пути перехода от
микрок
наноэлектронным
приборам,
приведены
описания
нанотехнологических процессов, элементов и приборов наноэлектроники и новых материалов, с которыми тесно связано
развитие приоритетной области нанонауки и нанотехнологии.
Для
студентов
по
направлениям
подготовки
«Прикладные
математика
и
физика»,
«Электроника
и
наноэлектроника»,
«Нанотехнологии и микросистемная техника», а также для аспирантов и научных работников, специализирующихся в области
наноэлектроники и нанотехнологий.
УДК 621.38-002.532
ББК 32.85 я73

Деривативное издание на основе печатного аналога: Наноэлектроника : учебное пособие / А. А. Щука ; под ред. А. С. Сигова. — 4-е изд. — М. : Лаборатория знаний, 2019. — 342 с. : ил. —
(Нанотехнологии). — ISBN 978-5-00101-156-9.

В
соответствии
со
ст. 1299
и
1301
ГК
РФ
при
устранении
ограничений, установленных техническими средствами защиты
авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя
возмещения убытков или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-730-1
c○ Лаборатория знаний, 2015

2

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Глава 1. От микро- к наноэлектронике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1. Микроэлектроника как мотор прогресса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2. Наноэлектроника — путь «обогнать не догоняя». . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3. Наноэлектронные приборы и устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Контрольные вопросы к главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Литература к главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Глава 2. Методы нанотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1. Гетерогенные процессы формирования наноструктур. . . . . . . . . . . 29

2.1.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.2. Газофазная эпитаксия из металлоорганических
соединений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.1.3. Формирование структур на основе
коллоидных растворов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.1.4. Золь–гель-технология . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.1.5. Атомно-слоевое осаждение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.1.6. Технология сверхтонких пленок металлов
и диэлектриков. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Контрольные вопросы к разделу 2.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Литература к разделу 2.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.2. Наноформообразование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.2.1. Гетеропленки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.2.2. Формирование полупроводниковых
и металлических нановолокон и спиралей . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.2.3. Наногофрированные структуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.2.4. Технология создания квантовых точек . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.2.5. Нанопечатная литография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.2.6. Ионный синтез квантовых наноструктур. . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Контрольные вопросы к разделу 2.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Литература к разделу 2.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.3. Методы зондовой нанотехнологии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.3.1. Физические основы зондовой нанотехнологии. . . . . . . . . . . . 69
2.3.2. Контактное формирование нанорельефа . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.3.3. Бесконтактное формирование нанорельефа . . . . . . . . . . . . . . 75
2.3.4. Локальная глубинная модификация поверхности. . . . . . . . . . 76
2.3.5. Межэлектродный массоперенос . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.3.6. Электрохимический массоперенос. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

ОГЛАВЛЕНИЕ

2.3.7. Массоперенос из газовой фазы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.3.8. Локальное анодное окисление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.3.9. Литография с помощью сканирующего
туннельного микроскопа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

2.3.10. Совместное использование лазера и СТМ
в нанолитографии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Контрольные вопросы к разделу 2.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Литература к разделу 2.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

2.4. Технологии самоорганизации структур. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

2.4.1. Процессы самоорганизации в природе. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.4.2. Химическая самосборка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.4.3. Самоорганизация наноструктур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Контрольные вопросы к разделу 2.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Литература к разделу 2.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

2.5. Технология фотонных кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

2.5.1. Методы упорядочивания наноструктур . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.5.2. Синтез инвертированных фотонных кристаллов . . . . . . . . . . 98
2.5.3. Бестемплатный синтез фотонных кристаллов. . . . . . . . . . . . 100
2.5.4. Технология селективного травления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.5.5. Синтез фотонных кристаллов с контролируемой
шириной запрещенной зоны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

2.5.6. Другие технологии создания фотонных кристаллов. . . . . . . 104
Контрольные вопросы к разделу 2.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Литература к разделу 2.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

2.6. Графеновые технологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

Литература к разделу 2.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

Глава 3. Материалы наноэлектроники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.1. Полупроводниковые структуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

3.1.1. Масштабы и свойства материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.1.2. Гетеропереходы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.1.3. Гетероструктуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.1.4. Сверхрешетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Контрольные вопросы к разделу 3.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Литература к разделу 3.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

3.2. Углеродные наноматериалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

3.2.1. Аллотропные модификации углерода . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.2.2. Алмазные пленки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3.2.3. Графен — двумерный монокристалл . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.2.4. Нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.2.5. Фуллерены . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Контрольные вопросы к разделу 3.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Литература к разделу 3.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

3.3. Мультиферроики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

3.3.1. Классификация мультиферроиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
3.3.2. Магнитные полупроводники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

4
Оглавление

3.3.3. Спин-электронные слоистые структуры . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Контрольные вопросы к разделу 3.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Литература к разделу 3.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

3.4. Полимерные материалы. Органические проводники
и полупроводники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Контрольные вопросы к разделу 3.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Литература к разделу 3.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

3.5. Фотонные кристаллы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

Контрольные вопросы к разделу 3.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Литература к разделу 3.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

3.6. Пленки поверхностно-активных веществ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

3.6.1. Пленки Ленгмюра–Блоджетт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
3.6.2. Свойства ленгмюровских пленок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Контрольные вопросы к разделу 3.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Литература к разделу 3.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

3.7. Бионаноструктуры. ДНК как составляющая наноструктур. . . . . . 172

Контрольные вопросы к разделу 3.7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Литература к разделу 3.7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

Глава 4. Элементы и приборы наноэлектроники. . . . . . . . . . . 177
4.1. Нанотранзисторные структуры на традиционных материалах . . . 177

4.1.1. Кремниевые транзисторы с изолированным затвором. . . . . 177
4.1.2. КНИ-транзисторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
4.1.3. Транзисторы на структурах SiGe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
4.1.4. Многозатворные транзисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
4.1.5. Гетеротранзисторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
4.1.6. Гетероструктурный транзистор на квантовых точках . . . . . 195
4.1.7. Биполярные транзисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

4.2. Нанотранзисторные структуры на новых материалах . . . . . . . . . . 198

4.2.1. Нанотранзисторы на основе углеродных нанотрубок . . . . . 198
4.2.2. Нанотранзисторы на основе графена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
4.2.3. Спиновой нанотранзистор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
4.2.4. Наноэлектромеханический транзистор . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
4.2.5. Успехи и перспективы транзисторостроения . . . . . . . . . . . . 211
Контрольные вопросы к разделам 4.1. и 4.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Литература к разделам 4.1. и 4.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

4.3. Основы одноэлектроники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

4.3.1. Эффект одноэлектронного туннелирования . . . . . . . . . . . . . 212
4.3.2. Транзисторные структуры одноэлектроники . . . . . . . . . . . . 219
4.3.3. Устройства на одноэлектронных транзисторах. . . . . . . . . . . 228
Контрольные вопросы к разделу 4.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
Литература к разделу 4.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

4.4. Спинтроника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

4.4.1. Свойства магнитоупорядоченных структур . . . . . . . . . . . . . 233
4.4.2. Приборы на магнитостатических волнах. . . . . . . . . . . . . . . . 241

Оглавление
5

4.4.3. Приборы спинтроники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Контрольные вопросы к разделу 4.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
Литература к разделу 4.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

4.5. Квантовые компьютеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

4.5.1. От битов к кубитам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
4.5.2. Квантовые вычисления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
4.5.3. Элементная база квантовых компьютеров. . . . . . . . . . . . . . . 259
Контрольные вопросы к разделу 4.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Литература к разделу 4.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

4.6. Молетроника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

4.6.1. Молекулярный подход в наноэлектронике . . . . . . . . . . . . . . 270
4.6.2. Молекулярные транзисторы и элементы логики. . . . . . . . . . 271
4.6.3. Молекулярная память . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
Контрольные вопросы к разделу 4.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
Литература к разделу 4.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

4.7. Политроника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

4.7.1. Органические транзисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
4.7.2. Органические светоизлучающие диоды. . . . . . . . . . . . . . . . . 290
4.7.3. Нанопроводники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
4.7.4. Вычислители на основе ДНК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
4.7.5. Эластичная электроника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
Контрольные вопросы к разделу 4.7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
Литература к разделу 4.7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

4.8. Нанофотоника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

4.8.1. Структуры с пониженной размерностью . . . . . . . . . . . . . . . . 303
4.8.2. Устройства на фотонных кристаллах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
4.8.3. Фотонные транзисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
4.8.4. Лазерные наноструктуры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
4.8.5. Волоконные лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
Контрольные вопросы к разделу 4.8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
Литература к разделу 4.8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321

4.9. Наноплазмоника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321

4.9.1. Кванты плазмы твердых тел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
4.9.2. Спазер — лазер на плазмонах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
4.9.3. Однофотонный транзистор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
4.9.4. Интегральные схемы на плазмонах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
Контрольные вопросы к разделу 4.9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
Литература к разделу 4.9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

4.10. Мемристорная электроника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

4.10.1. Мемристор и его свойства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
4.10.2. Кроссбар-архитектура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
4.10.3. Наноэлектронные устройства памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
Контрольные вопросы к разделу 4.10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
Литература к разделу 4.10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337

Предметный указатель. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338

6
Оглавление

Внукам Александру и Аленушке,
которые будут жить
в век нанотехнологий
и наноэлектроники

Возникшая в середине прошлого столетия полупроводниковая
электроника стала самым крупным достижением второй половины XX века. К концу столетия полупроводниковая электроника
в определенной степени трансформировалась в микроэлектронику. Основные изделия микроэлектроники — интегральные
схемы, микропроцессоры, запоминающие устройства — стали
основной информационной техники, бытовой электроники, медицины, автомобилестроения, авиации и т. д. Перечень отраслей не
имеет конца, потому что логика развития любой отрасли занятий,
любой отрасли техники в настоящее время немыслима без использования основных продуктов микроэлектронного производства — интегральных схем или микрочипов.
Следует отметить, что с возрастанием производительности микрочипов они становятся дешевле и потребляют меньше энергии по
сравнению с чипами предшествующего поколения. Приведем несколько ярких примеров последних достижений микроэлектроники. Сегодня количество транзисторов, ежегодно поставляемых
на рынок, составляет 109–1020 штук. Плотность упаковки на чипе
транзисторных структур такова, что на булавочной головке
можно разместить 200 млн транзисторов (~108 шт.), причем расстояние
между
двумя
соседними
транзисторами
составляет
1/10000 толщины человеческого волоса. В корпорации «Intel»
себестоимость производства транзисторов упала до такой степени, что цена транзистора стала сопоставимой с ценой печатания типографского знака в книге, например, запятой. Такие достижения — следствие развитой стратегии получения микроизделий «сверху–вниз».

ПРЕДИСЛОВИЕ

Однако на пути продолжения тенденций роста степени интеграции встают барьеры: технологический, физический, энергетический... Так, фотолитографическая технология, лежащая в основе технологии производства интегральных схем, достигла своего
физического совершенства. На подходе рентгеновская литография, лазерная литография. Лазерная литография позволяет получить разрешение элементов схемы лучше 10 нм, а процесс печати
схемы занимает всего 250 наносекунд. На преодоление технологического барьера направлена, например, американская программа The National Tehnology Roadmap for Semiconductors. В соответствии с этой программой, к 2015 г. будут проектироваться
транзисторы с шириной затвора 20 нм при технологической норме
30 нм. Площади кристаллов интегральных схем будут увеличены
до 10 см2. Это позволит разместить на кристалле более 109 вентилей. При этом рабочая частота составляет 30 Гц — 30 ГГц. Это
в проекте.
Однако много вопросов не решено на пути преодоления физических барьеров. Среди них известная проблема «тирании межсоединений» в современных интегральных схемах, в которых
большая часть площади кристалла занята межсоединениями.
Масштабирование элементов транзисторных структур с целью
перехода от микро- к нанометровым масштабам — весьма деликатный процесс. Создать транзисторные структуры в нанометровом масштабе сегодня уже под силу серьезным фирмам. Однако
не решены вопросы их интеграции, вопросы создания групповой
технологии производства интегральных схем в нанометровом
масштабе, изготовление новых или традиционных элементов и
компонентов интегральных схем.
В традиционных схемах микроэлектронной схемотехники
устройства всегда имеют «вход» и «выход», которые пространственно разделены и локализованы в электрической схеме, а также
в определенных контактах интегральной схемы. Все связи в интегральных схемах реализованы с помощью гальванических или
емкостных связей. Реализация таких связей осуществляется благодаря изменению типов проводимости исходной подложки, созданием различных энергетических барьеров на пути потока носителей (электроны, дырки). Информация обрабатывается и хранится в виде отдельных битов (логические «0» и «1»), физически

8
Предисловие

реализованных в виде тока, напряжения, заряда в определенной
точке интегральной схемы. Процесс сохранения состояния в логической цепи «0» или «1» обеспечивается в микроэлектронике,
как правило, «переносом» через полупроводниковый переход
транзистора ~100 тысяч электронов. Для передачи одного бита
информации такой подход выглядит несколько расточительно.
К тому же часть из этих сотен тысяч электронов создаст тепловой
шум, другая часть, из-за туннельного эффекта, вообще «улетит»
через подложку, отказавшись выполнять полезную работу, еще
одна часть просто рассеется теплом в окружающее пространство.
Все перечисленные недостатки, как и многие другие, являются
неотъемлемой частью современных методов создания микроэлектронных устройств.
Магистральное направление развития микроэлектроники —
уменьшение топологических норм транзисторных структур, другими словами, переход от микрометрового в нанометровый диапазон линейных размеров или создание низкоразмерных структур. В этом случае говорят о наноэлектронике, и здесь рисуется
совсем иная физическая картина. Уменьшение размеров на несколько порядков практически меняет физические основы работы
наноэлементов. В наноэлементе используются уже не электроны
как частицы, переносящие электрический заряд, а их волновые
функции, наконец, спины.
Процессы дрейфа и диффузии, характерные для микроэлектронных элементов, в наноэлектронных элементах отсутствуют
вовсе. В основе наноэлементов лежат полевые связи, сформированные потенциальные барьеры. «Вход» и «выход» элемента локализованы не в пространстве, а во времени. В наноэлектронных
структурах определить «вход» или «выход» возможно в определенные промежутки времени, когда существует определенный
порог внешних воздействий, соответствующий «входу» или «выходу». Этот промежуток времени получил название рефлекторного периода, с его помощью обеспечивается распространение
сигнала в определенном направлении. Переход от одного устойчивого состояния наноструктуры к другому происходит через
возбужденные неустойчивые состояния.
Физика низкоразмерных структур сегодня представляется
одним из актуальнейших и динамично развивающихся направле
Предисловие
9

ний электроники. Именно в этой области ожидается исследование
и приспособление фундаментальных физических явлений для
практического применения: целочисленный и дробный квантовый
эффект Холла в двумерном электронном газе, вигнеровская кристаллизация квазидвумерных электронов и дырок, высокочастотные
блоховские осцилляции, перенос информации солитонами и флуксонами, самоорганизация систем на квантовых точках, а также
многое другое из нового мира низкоразмерных структур.
Возникло новое направление конструирования приборов и
устройств электроники, получившее название «зонная инженерия», или «инженерия волновых функций». Элементной базой
этого направления электроники стали низкоразмерные структуры
(наноэлектронные элементы). Как правило, наноэлектронный
элемент состоит из набора квантовых ям и потенциальных барьеров. Энергетический спектр таких элементов зависит от размеров, а добавление лишь одного электрона существенно меняет
энергетическую диаграмму наноэлектронного элемента. В наноэлектронике структурированные компоненты обладают свойством многофункциональности, способны выполнять сложные
динамические функции.
В качестве материалов изделий микроэлектроники используются легированные полупроводники, в наноэлектронике — гетероструктуры,
наноструктурированные
материалы,
кластеры,
органические материалы. Технология формирования наноструктур или инженерия волновых функций основана на процессах
направленного роста, методах сканирующей туннельной микроскопии, атомной силовой микроскопии. Если плотность размещения активных элементов в интегральных схемах достигает
108 см–2, то в устройствах наноэлектроники она может достигать
109–1010 элементов на квадратный сантиметр.
Таким образом, под наноэлектроникой будем понимать направление электроники, в котором изучаются физические явления и
процессы взаимодействия электронов с электромагнитными полями, а также разрабатываются технологии (нанотехнология)
создания приборов и устройств, в которых это взаимодействие
используется для передачи, обработки и хранения информации.
Исключительно малая инерционность электронов позволяет
эффективно использовать взаимодействие электронов с микро
10
Предисловие

полями внутри атома, молекулы или кристаллической решетки
для создания приборов и устройств нового поколения, отличающихся высокой производительностью, ничтожным потреблением
энергии, сверхминиатюрными размерами.
Наноэлектроника — логическое развитие микроэлектроники
в соответствии со стратегией «сверху–вниз». Стратегия «снизу–
вверх» пока более характерна для мира живой природы. В этом
процессе отдельные атомы или молекулы группируются по заданному закону в микроблоки с заданными функциями. Заметим, что
для живой природы характерны следующие особенности:

— используются не отдельные природные элементы и материалы, а их композиты;

— сочетаются иерархические уровни организации и/или самоорганизации;

— используемые для синтеза материалы отличаются гибкостью и мягкостью;

— основные технологические процессы — самосборка, репликация, деление на основе явлений самоорганизации;

— формирование новой структуры осуществляется с использованием определенного шаблона или матрицы, например, записанной информации в ДНК.

Стратегия «снизу–вверх» позволяет сопряжение в нанодиапазоне биологических объектов с рукотворными элементами наноэлектроники. Примером могут служить фуллерены и углеродные
нанотрубки, используемые при создании композитных материалов. Вместе с тем в изделиях наноэлектроники, созданных по такой стратегии и соответствующей технологии, неизбежно возникают принципиальные нерешенные вопросы. Прежде всего это —
разработка процессов самоорганизации структур.
По мере приближения характерного размера твердотельной
структуры электронного прибора к нанометровой области, соизмеримой с размерами атомов, проявляются квантовые свойства
электронов. Если в микроэлектронных приборах поведение электрона определялось поведением элементарной частицы, имеющей массу и заряд, то в наноэлектронных приборах поведение
электрона определяется его волновыми свойствами. Движение
электронов как волны описывается уравнением Шредингера для
нерелятивистских электронов и уравнением Дирака для реляти
Предисловие
11

вистских. В наноэлектронике обычно используются нерелятивистские электроны. Но вот открытие графена как перспективного материала наноэлектроники, возможно, расширит набор
используемых электронов.
В книге четыре главы, которые обзорно отражают основные
пути и тенденции развития наноэлектроники. В главе 1 описывается современное состояние микроэлектроники. Указываются физические и технологические барьеры на пути дальнейшего развития. Анализируются пути перехода от микро- к наноэлектронным
приборам и устройствам. Во второй главе рассмотрены некоторые развивающиеся нанотехнологии в наноэлектронике. Залогом успешного развития наноэлектроники являются разработка
и использование новых технологических процессов. Приводится
описание ряда таких процессов, часть из которых основана на
явлениях самоорганизации и самосборки. Третья глава посвящена новым материалам, используемым в наноэлектронике. Например, дан анализ перспектив использования наноуглеродных
материалов — таких как нанотрубки, графен, графан. Рассмотрены особенности применения фотонных кристаллов, органических полупроводников, ДНК-наноструктур и других интересных
материалов. В четвертой главе внимание уделено перспективным
приборам различных направлений развития наноэлектроники.
К ним относятся транзисторные структуры в наномасштабном
исполнении, приборы одноэлектроники, устройства на спиновых
транзисторах, квантовые наноструктуры, приборы политроники,
элементная база квантовых транзисторов и т.п. Особый интерес
представляют мемристоры и идеология создания устройств на их
основе.
Учебник написан в соответствии с ГОС-3 на основе лекций,
прочитанных автором в Московском физико-техническом институте (государственный университет) и Московском институте радиотехники, электроники и автоматики (технический университет). Автор благодарит академика Ю. В. Гуляева за ценные замечания и советы, полученные в процессе работы над учебником.
Глубокая признательность автора академику А.С. Бугаеву, членукорреспонденту А. С. Сигову, профессорам П. А. Тодуа, В. А. Быкову, Л. Н. Патрикееву, коллективам кафедр университетов, в учебных планах которых значились курсы автора.

12
Предисловие

1.1. Микроэлектроника как мотор прогресса

Микроэлектроника сегодня — одна из главных компонент высоких технологий, мотор научно-технического прогресса. Действительно, мотор, или двигатель (от латинского Motor — приводящий в движение) представляет собой устройство, преобразующее
какой-либо вид энергии в движение вперед, на пути прогресса общества. А ведь прогресс (от латинского Progressus — движение
вперед, успех) — направление развития от низшего к высшему,
поступательное движение вперед. Различают некоторые аспекты
прогресса как глобального, всемирно-исторического процесса
восхождения человеческих обществ от примитивных состояний
к вершинам цивилизованного состояния, основанного на высших
научно-технических, политико-правовых, нравственно-этических
достижениях.
Рассмотрим некоторые аспекты развития микроэлектроники
как мотора научно-технического прогресса человечества в целом
и нашей России в частности.
Социальный аспект. Кремниевая микроэлектроника сформировалась как отрасль промышленности в начале 70-х годов
прошлого века. Гордон Мур — один из основателей всемирно известной компании «Intel», производителя микропроцессоров, — в 1970-х годах вывел два эмпирических закона. Первый
(оптимистический) закон Мура гласит, что объем пространства, занимаемый транзисторной структурой в чипе, сокращается
вдвое примерно каждый год (рис. 1.1). В 1980–1990-е годы проектные нормы и число элементов на кристалле стали удваиваться
каждые два года. Ныне этот период достигает трех лет.
Второй закон Мура (пессимистический) предсказывает резкий
рост стоимости постройки заводов по изготовлению чипов. В соответствии с этим законом, стоимость такого завода удваивается
с каждым поколением чипов (или каждые три года). Этот закон

Глава 1

ОТ МИКРО- К НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ

задавал и сегодня задает некий фундаментальный вектор развития технологии. При этом производительность технологического
оборудования и его стоимость постоянно возрастали.
Когда микроэлектронные фирмы перестали вписываться в «закон Мура», ведущие производители микросхем объединились и
разработали единую десятилетнюю программу развития технологии в микроэлектронике под названием «Национальная технологическая программа по полупроводникам» (National Technology
Roadmap for Semiconductors, NTRS). В США эта программа получила поддержку правительства, что позволило американской полупроводниковой промышленности достигнуть к 2000 году определенного превосходства над европейскими и японскими производителями. К этому времени стоимость завода по производству
интегральных схем существенно превысила 1 млрд долларов.
Дальнейшее поддержание темпов развития технологии оказалось тяжелым бременем для экономики всех стран — даже передовых, в том числе и США. Новая программа развития стала
международной, к ней подключились ведущие мировые полупроводниковые компании. Программа получила название «Международная технологическая программа по полупроводникам» (International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS). Первая
редакция программы разработана на 15 лет (2000–2014 гг.), каждые два года материал программы обновляется.
В итоге каждый год в мире производится более 1020 транзисторных структур, которые размещаются в интегральные схемы
с плотностью упаковки ~10 млн транзисторных структур на од
14
Глава 1. От микро- к наноэлектронике

Рис. 1.1. Первый и второй
законы Мура. Стрелкой показан переход на наноскопический уровень