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. <...> Масштабирование элементов транзисторных структур с целью перехода от микро- к нанометровым масштабам — весьма деликатный процесс. <...> Технология формирования наноструктур или инженерия волновых функций основана на процессах направленного роста, методах сканирующей туннельной микроскопии, атомной силовой микроскопии. <...> Наноэлектроника — логическое развитие микроэлектроники в соответствии со стратегией «сверху–вниз». <...> Но вот открытие графена как перспективного материала наноэлектроники, возможно, расширит набор используемых электронов. <...> Рассмотрены особенности применения фотонных кристаллов, органических полупроводников, ДНК-наноструктур и других интересных материалов. <...> Наноэлектроника — путь «обогнать не догоняя» 19 гания, пробой подзатворного диэлектрика, изменение механизма транспорта зарядов, максимально допустимые напряжения и токи в расчете на единицу объема проводящего вещества, теплоотвод и многое другое. <...> Наноэлектроника представляет собой область электроники, в которой изучаются носители информационного сигнала в веществе под действием различных полей, а также разрабатываются физические и технологические основы создания приборов для обработки и хранения информации с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нм. <...> От микро- к наноэлектронике с тем, наномир способствует рождению свежих идей, связанных с волновыми свойствами электрона, с солитонами, как носителями информационного сигнала, с новыми материалами, с новой технологией. <...> Гетерогенные процессы формирования наноструктур Под гетерогенными процессами будем понимать технологические процессы, происходящие на поверхности раздела фаз и формирующие гетерогенные системы <...>
Наноэлектроника.pdf
А. А. Щука
НАНОЭЛЕКТРОНИКА
доктора физикоматематических наук
А.С. Сигова
Под ред. академика РАН
5е издание, электронное
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
Стр.2
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
микро- к 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
Стр.3
ОГЛАВЛЕНИЕ
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 синтезквантовых 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
Стр.4
4
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. Синтезинвертированных фотонных кристаллов .......... 98
2.5.3. Бестемплатный синтезфотонных кристаллов............ 100
2.5.4. Технология селективного травления ................... 101
2.5.5. Синтезфотонных 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
Стр.5
Оглавление
5
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
Стр.6
6
Оглавление
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
Предметныйуказатель................................. 338
Стр.7