Наноэлектроника

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2294 

Кафедра полупроводниковой электроники 
и физики полупроводников 

М.Н. Орлова 
И.В. Борзых 
 

Наноэлектроника

Курс лекций 

 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2013 

УДК 621.382–022.532 
 
О-66 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. А.Р. Кушхов 

Орлова, М.Н. 
О-66  
Наноэлектроника : курс лекций / М.Н. Орлова, И.В. Борзых. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2013. – 50 с. 
ISBN 978-5-87623-725-5 

Рассмотрены физические и технологические основы наноэлектроники. 
Описаны подходы, позволяющие формировать элементы электронной техники в приборах и устройствах наноэлектроники. Проанализированы тенденции развития наноэлектроники с технологическими нормами менее 100 нм.  
Курс лекций представляет собой практическое руководство для студентов и аспирантов технических вузов, обучающихся по направлению 210100 
«Электроника и наноэлектроника». 

УДК 621.382–022.532 

ISBN 978-5-87623-725-5 
© М.Н. Орлова 
И.В. Борзых, 2013 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
1. Введение в нанотехнологию  в электронике. Предпосылки  
перехода от микро- к наноэлектронике.....................................................6 
1.1. Получение полупроводниковых материалов............................10 
1.2. Получение полупроводниковых пластин..................................11 
1.3. Получение эпитаксиальных структур........................................12 
2. Физические основы наноэлектроники..............................................14 
2.1. Квантово-размерные эффекты....................................................14 
2.2. Простейшие виды  низкоразмерных объектов..........................15 
2.2.1. Квантовая яма .......................................................................15 
2.2.2. Квантовая нить......................................................................16 
2.2.3. Квантовая точка....................................................................17 
2.3. Туннельный эффект.....................................................................17 
2.3.1. Резонансное туннелирование ..............................................17 
2.3.2. Резонансно-туннельный диод..............................................18 
3. Технические средства нанотехнологии............................................21 
3.1. Два подхода к изготовлению  структур в нанотехнологиях............21 
3.2. Эпитаксиальные методы  получения наноструктур.................22 
4. Приборы наноэлектроники................................................................30 
4.1. Нанотранзисторы.........................................................................30 
4.2. Углеродные нанотрубки .............................................................32 
5. Кремний как основной  материал полупроводниковой 
наноэлектроники......................................................................................35 
5.1. Использование синхротронного излучения для анализа 
наноразмерных структур ...................................................................35 
5.2. Методы локальной модификации поверхности  
с помощью сканирующей  зондовой микроскопии.........................42 
6. Получение наноразмерных  Si–Ge-структур методом  
термического испарения ........................................................................47 
Библиографический список...................................................................49 
 

ВВЕДЕНИЕ 

История электрических изобретений широка, разнообразна и настолько интересна, что будет неправильно не упомянуть о том или 
ином изобретении, перевернувшем наше мировоззрение, а может 
и всю нашу жизнь. Рассмотрим историю не одного конкретного изобретения, а целого направления в электронике, названном в последствии наноэлектроникой. 
Что же такое наноэлектроника, кроме того, что она одна из областей современной электроники? Наноэлектроника занимается разработкой и исследованием физических и технологических процессов 
при создании электронных компонентов, в том числе и интегральных 
схем. Главная особенность наноэлектроники в том, что она охватывает только элементы с размерами менее 100 нанометров, т.е. наноэлектроника на сегодняшний день разрабатывает самые маленькие 
электронные компоненты, а также интегральные схемы на их основе. 
При таком размере обычные физические процессы в материалах полупроводников, проводников и диэлектриков уже не действуют. В ход вступают квантовые процессы. 
Вернемся к истории развития этой области. Можно считать, 
что наноэлектроника начинала свое зарождение при появлении полупроводниковых элементов. Уже тогда ученые создавали стабилитроны 
с шириной объемной области p–n-перехода в несколько десятков нанометров. Хотя сами стабилитроны нельзя считать нанометровыми, все же 
факт остается фактом. В 70–80-е годы прошлого столетия полупроводниковая электроника стала оперировать такими понятиями, как гетеропереходы, сверхрешетки, квантовые проволоки и точки, квантовые ямы. 
Уже тогда наноэлектроника как подразделение электроники стала постепенно формироваться. В производство радиокомпонентов и электронных схем стали внедряться такие совершенно новые технологии, 
как молекулярно-лучевая, ионно-плазменная, ионно-лучевое напыление, фотонный отжиг и многие другие. По сути, микроэлектроника путем выхода технологий на новый более совершенный уровень плавно 
перешла в наноэлектронику. Результатом внедрения первых нанотехнологий стало появление новейших на то время фотоприборов, светодиодов, лазеров и микросхем. 
В 80–90-е годы прошлого столетия были сделаны совершенно новые приборы, давшие толчок развитию наноэлектроники и переходу 
ее в отдельную область науки и техники. Был изобретен сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и атомно-силовой микроскоп 

(АСМ). Они дали возможность ученым манипулировать нанометровыми кластерами в полупроводниковом материале вплоть до исследования отдельных молекул и атомов. В 1991 г. были созданы нанотрубки на основе структурной формы углерода. В 1998 г. на базе нанотрубок ученым удалось получить транзисторный эффект. В это время 
зародилась идея создавать электронные компоненты не из целых 
частей полупроводниковых и других материалов, а из отдельных 
атомов и молекул. Сначала она казалась почти утопической, но дальнейшая история развития наноэлектроники показала ее реальность. 
Кроме того, оказалось, что нанотрубки обладают рядом уникальных 
свойств, одим из которых является сверхпроводимость. В последствие эти нанотрубки были использованы при создании совершенно 
новых транзисторов и конденсаторов. 
Дальнейшее развитие наноэлектроники происходило столь стремительно, что нельзя выделить конкретные даты. Изобретения появлялись 
и появляются сейчас с удивительной скоростью. Единственным сдерживающим фактором на сегодняшний день являются недостаточно совершенные технологии. Можно сказать, что человеческая мысль намного опережает развитие технологий. Такие открытия, как трехмерный 
транзистор, асимметричный суперконденсатор, высокоскоростной транзистор на основе графена и другие воспринимаются почти как само собой разумеющееся. 

1. ВВЕДЕНИЕ В НАНОТЕХНОЛОГИЮ  

В ЭЛЕКТРОНИКЕ. ПРЕДПОСЫЛКИ ПЕРЕХОДА 

ОТ МИКРО- К НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ 

Нанотехнология – это сумма технологий и методов обработки материалов, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и молекулами, а также с биологическими объектами с целью получения 
новых материалов, приборов и устройств, формирования приборных 
структур с характерными размерами порядка 10…100 нм. 
Напомним, что в атомной и квантовой физике единицей длины 
принято считать величину 10–10м, называемую ангстремом Å. Ангстрем выбран масштабом потому, что он соответствует диаметру самого маленького из атомов – атома водорода. Диаметры других атомов 
достигают значений нескольких ангстрем. Нанометр равен 10 Å, отсюда ясно, с какими размерами имеет дело нанотехнология. 
Нанотехнология открывает перспективы ее широкого использования в электронике, материаловедении, химии, механике, биомедицине и других областях науки и техники. 
В живой природе, состоящей, так же как и неживая материя, 
из атомов, молекулы протеина и липидов имеют размеры до 10 нм. 
Диаметр спиральной молекулы ДНК составляет примерно 20 нм, 
в то время как ее длина может достигать десяти микрон. Размер рибосом и вирусов лежит в пределах 100 нм (рис. 1.1). Интересно отметить, что один из продуктов нанотехнологии – нанотрубки, а также 
элементы сверхбольших интегральных схем тоже имеют размеры 
~ 100 нм. Это обстоятельство позволяет надеется на успешное совмещение технологий живых и неживых систем, создание микроминиатюрных комбинированных устройств, новых лекарств и т.п. 
Интересны в этой связи возможности применения нанотехнологии в электронике. Возникшая в середине прошлого столетия полупроводниковая электроника стала самым крупным достижением второй половины XX в. К концу столетия полупроводниковая электроника в определенной степени трансформировалась в микроэлектронику. Основные изделия микроэлектроники – интегральные схемы, 
микропроцессоры, запоминающие устройства (ЗУ) стали основой 
информационной техники, бытовой электроники, медицины, автомобилестроения, авиации и т.д. Перечень отраслей можно продолжать 
бесконечно, потому что логика развития любой отрасли науки и тех-
ники в настоящее время немыслима без использования микрочипов. 

Следует сказать, что с возрастанием производительности микрочипов происходит и удешевление их производства, они потребляют 
меньше энергии по сравнению с чипами предшествующего поколения. 
Приведем несколько ярких примеров сегодняшнего уровня достижений микроэлектроники. 
В настоящее время количество транзисторов, ежегодно поставляемых на рынок, составляет 1019…1020. Плотность упаковки на чипе 
транзисторных структур такова, что на булавочной головке можно 
разместить 200 млн транзисторов, причем расстояние между двумя 
соседними транзисторами составляет величину в 1/1000 толщины 
человеческого волоса. Заметим, что толщина человеческого волоса 
~100 мкм, а характерный топологический размер элемента в современной микроэлектронной технологии составляет 0,1 мкм. 
Скорость переключения транзистора составляет ~1012 раз в секунду. Это означает, что если человек будет включать и выключать 
обычный выключатель столько раз, сколько это делает транзистор 
за одну секунду, то ему понадобится 25 000 лет. Это обусловлено тем, 

 

Рис. 1.1. Характерные масштабы объектов живой и неживой природы 

что в технологическом процессе одновременно на одной пластине 
обрабатывается до 5000 чипов, каждый из которых может содержать 
миллионы транзисторов. Легко подсчитать, что одновременно изготавливается порядка сотни миллиардов транзисторов. 
Один из основателей Intel Corporation – основного производителя 
микропроцессоров – Гордон Мур (Gordon Moore) в 1970-х годах предложил два эмпирических закона, которые достаточно корректно описывают достижения в области микроэлектроники. Первый (оптимистический!) закон Мура гласит, что объем пространства, занимаемый 
транзисторной структурой в чипе, сокращается вдвое примерно каждые полтора года (рис. 1.2). Второй закон Мура предсказывает резкий 
рост 
стоимости 
постройки 
заводов 
по 
изготовлению 
чипов 
(см. рис. 1.2). В соответствии с этим законом стоимость завода 
по производству чипов удваивается с каждым поколением чипов, 
т.е. каждые три года. 

 

Рис. 1.2. Законы Мура 

Принципиальным барьером на пути развития микроэлектроники 
становится так называемый скейлинг (масштабирование) параметров, или пропорциональное уменьшение размеров элементов интегральных схем. 
Рассмотрим два примера. 
Первый пример. При уменьшении топологических норм за счет 
совершенствования литографических и других технологических 
процессов можно уменьшать длину канала МДП-транзистора. 
Это приведет к увеличению быстродействия транзистора, уменьшению величины управляющих напряжений, снижению потребляемой мощности.  

Рис. 1.3. Канал МДП-транзистора длиной L 

Допустим, что удалось создать транзистор с топологическими нормами L = 0,2 мкм (рис. 1.3). Объем канала Vк  в этом случае составит 

 
Vк = 2 · 10–7 · 10–7 · 2 · 10–7 = 4 · 10–7м3. 
(1.1) 

При концентрации носителей заряда в канале 1017…1018 см–3 или 
1023…1024 м–3 получается, что в канале находится от 100 до 1000 носителей. В этом случае трудно говорить об устойчивой работе транзистора, потому что существенным становится разброс его параметров, а величина формируемых зарядов мала для устойчивой фиксации величин этих зарядов. 
Второй пример – линия гальванической связи, или элемента межсоединения (рис. 1.4). 

 

Рис. 1 4. Фрагмент линии межсоединения 

Допустим, линия межсоединения выполнена по той же технологии 
и с теми же технологическими нормами. В этом случае ее сопротивление определяется величиной R = р – (L/S), где S составляет величину 
порядка 4 · 10–14 м2. Значение сопротивления токоведущей дорожки резко возрастает, поэтому есть вероятность, что сигнал может не пройти по 
линии межсоединения. 
В процессе масштабирования возникают такие явления, как электромиграция, возрастание волнового сопротивления, краевые емкости 
межсоединений, джоулев разогрев, которые резко ухудшают характеристики межсоединений. Кроме того, при длинах канала порядка 10 нм 
электрон преодолевает канал волнообразно (иногда говорят о баллистическом режиме движения электрона). Определенной проблемой является также выравнивание характеристик транзисторов р- и n-типов. 

При масштабировании уменьшение размеров в плоскости кристалла сопровождается уменьшением размеров по глубине. Речь идет 
о толщине подзатворного диэлектрика, глубине залегания р–nпереходов. Уже при топологической норме 65 нм толщина оксида 
должна быть порядка 1 нм, что позволяет проходить процессам туннелирования через диэлектрик. Целесообразно применять диэлектрики с высоким значением диэлектрической постоянной.  
Глубина залегания р–n-переходов определяется процессом ионной 
имплантации. В этом случае используют небольшие ускоряющие напряжения до 1 кВ. При этом плотность тока ионов небольшая (10–5 А/см2), 
а время имплантации велико. 
Правила масштабирования предусматривают увеличение степени 
легирования канала. Это позволяет не только увеличить число носителей в канале, но и снизить подвижность носителей в канале и тем 
самым избежать явления смыкания областей пространственного заряда истока и стока. 
В этой связи важно изучить процессы на поверхности и в приповерхностных слоях, термодинамику поверхности и процессы самоорганизации, 
физико-химию 
наноструктурированных 
материалов. 
Все это позволит разрабатывать элементы и приборы наноэлектроники, создавать устройства обработки и хранения информации. 

1.1. Получение полупроводниковых материалов 

Технология интегральных микросхем (ИМС) предъявляет к полупроводниковому материалу достаточно жесткие требования. Этим 
требованиям удовлетворяют кремний, арсенид галлия (GaAs) и еще 
ряд материалов. Однако ИМС изготавливаются в основном на кремнии, который называют базовым полупроводниковым материалом 
для ИМС. Таким он стал в результате определенного конкурентного 
отбора. В оптоэлектронике наиболее широко используются соединения элементов III и V групп (А3В5), например GaAs.  
Получение полупроводникового материала для ИМС рассмотрим на 
примере кремния. В массовом производстве кремний получают восстановлением песка (SiO2) в смеси с коксом при высоких температурах. Полученный таким образом кремний называется металлургическим. 
Его чистота (~ 2 % неконтролируемых примесей) и структура (поликристалл) не позволяют использовать этот материал для изготовления ИМС, 
поэтому производится глубокая химическая очистка кремния в виде летучего соединения и его разложение в очищенном виде с выделением 

кремния. Выделенный кремний может иметь очень высокую чистоту, 
однако его нельзя использовать для изготовления ИМС, так как он является поликристаллическим. Химически очищенный кремний необходимо 
превратить в монокристаллический слиток. Это реализуется выращиванием слитка на охлаждаемую затравку из тигля, где химически очищенный кремний находится в расплавленном состоянии (метод Чохральского). При выращивании монокристаллического кремния методом Чохральского происходит дополнительная (кристаллизационная) очистка 
материала от многих примесей.  
Однако материал тигля (кварц) вносит в растущий кристалл свои 
примеси. Поэтому разработан метод перекристаллизации кремния 
без использования тигля (бестигельная зонная плавка). Выращенный 
этим методом кремний обладает самой высокой чистотой. При необходимости слитки кремния в процессе выращивания легируются донорными или акцепторными примесями. Так получают слитки с n- и ртипом проводимости, удельное сопротивление которых может изменяться в широких пределах. Монокристаллические слитки кремния 
обычно имеют цилиндрическую форму. 

1.2. Получение полупроводниковых пластин 

Полупроводниковые слитки режут тонкими стальными дисками 
с алмазной кромкой на пластины, размеры которых определяются 
диаметром слитка. Чем больше площадь пластины, тем больше элементов ИМС можно сформировать на пластине, тем на большее число чипов ее можно разделить и больше ИМС можно получить из одной пластины. В настоящее время для массового производства ИМС 
выращивают кристаллы кремния диаметром до 300 мм. На пластине 
такого диаметра размещается более 1000 чипов, на каждом из которых можно сформировать до 109 схемных элементов. Таким образом, полученные из одной пластины 1000 ИМС могут содержать 
до 1012 активных элементов, что в 100 раз больше, чем нейронов 
в человеческом мозге. 
 Пластина, вырезанная из слитка, не может использоваться для формирования на ней элементов ИМС, так как ее поверхность имеет геометрические и структурные дефекты. Их устраняют шлифовкой и полировкой до 14-го класса чистоты (оптическая полировка). После такой 
обработки на поверхности пластины сохраняются локальные впадины и 
выступы порядка 50 нм, и становятся эффективными последующие стадии формирования элементов ИМС методами планарной технологии.