Автор: Лозовский В. Константинова Г. Лозовский С.
Теги: электроника микроэлектроника инженерия учебное пособие обучение в вузе зарождение наноэлектроники
ISBN: 978-5-8114-0827-6
Год: 2008
Текст
В. ЛОЗОВСКИЙ, Г КОНСТАНТИНОВА, С. ЛОЗОВСКИЙ
НАНОТЕХНОЛОГИЯ
В ЭЛЕКТРОНИКЕ
ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ
В. Н. ЛОЗОВСКИЙ,
Г. С. КОНСТАНТИНОВА,
С. В. ЛОЗОВСКИЙ
НАНОТЕХНОЛОГИЯ
В ЭЛЕКТРОНИКЕ
ВВЕДЕНИЕ
В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ
РЕКОМЕНДОВАНО
Учебнимлтодичсским объединением
вузов Российской Федерации по образованию
в об.мсти радиотехники, электроники,
биомедицинской техники и автоматизации
е качествеучебкоеопособия
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальности
210601 — * Нанотехнология
8 электронике*
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ • МОСКВА • КРАСНОДАР
2008
и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
ББК 32.85
Л 72
Лозовский В. Н., [Константинова Г. С.|, Лозовский С. В.
Л 72 Нанотехнология в электронике. Введение в спе-
циальность: Учебное пособие. 2-е изд., испр. — СПб.:
Издательство «Лань», 2008. — 336 с.: ил, — (Учеб-
ники для вузов. Специальная литература).
ISBN 978-5-8114-0827-6
Учебное пособие составлено в соответствии с Государствен-
ным образовательным стандартом (ГОСом) по специальности выг-
пгего профессионального образования «Нанотехнология в элек-
тронике*. В нем рлстмятривягтгя система современного высшего
технического образования, особенности обучения в вузе, фунда-
ментальные основы инженерной деятельности.
Данное пособие знакомит читателя с историческими этапа-
ми зарождения наноэлектроники, определяет роль микроэлек-
троники на современном этапе. Также приведены теоретические
основы и особенности нанозлектроники, отражены особенности
инструментального и технологического обеспечения ее развития.
Рассматриваются достижения нанотехнология в электронике,
перспективы я тенденции ее дальнейшего развития.
Пособие предназначено для студентов вузов, обучающихся
по специальности «Нанотехнология в электронике».
ББК 32.85
Рецензент: д. ф. м. <., проф. Л. С. ЛУНИН, кафедра общей и при-
кладкой физики Южно-Роееийского государственного тгхиичг
скотч) университета (Новочеркасский политехнический институт)
Обложка
А Ю. ЛАПШИН
Охраняется законом РФ об авторском праве.
Воспроизведение леей книги или любой ее части
запрещается без письменного разрешения издателя.
Любые попытки нарушения закона
будут преследоваться в судебном порядке.
С Издательство «Лань., 2008
©В. Н. Лозовский.
Г. С. Конспиггинова,
С. В. Лозовский. 2008
С1 Издательство «Лань.,
художественное оформление, 2008
список
СОКРАЩЕНИЙ
АСМ — атомяо силовой микроскоп (или микроскопия)
ВАХ — вольт амперная характеристика
ВЗ (ЗП) — валентная эона (зона проводимости)
ВОЛС — волоконно-оптическая линия связи
ГМС — гигантское магмитосопротимление
ДГС — д вой мая гетерострухтура
ГФЭ — газофазная эпитаксия
DRAM — вид динамической оперативной памяти (Dynamic
Random Access Memory)
ЕД — естественнонаучные дисциплины
ЖФЭ — жидкофазная эпитаксия
ИК — инфракрасный
ИМС интегральная микросхема
ИП — изоляция с помощью р л-перехода
КМОП — комплементарная структура
МДП — структура металл диэлектрик проводник
МЛЭ — молекулярно лучевая эпитаксия
МОП — структура металл окнеел-полупроводкик
МОС — металлоорганические соединения
MRAM — магнитная память с произвольной выборкой
(Magnetic Random Access Memory)
ОПД — обще профессиональные дисциплины
СБИС — сверхбольшая интегральная схема
СВЧ — сверхвысокие частоты
СД — специальные дисциплины
СЗМ — сканирующий зондовый микроскоп (микроско-
пия)
СТМ — сканирующий туннельный микроскоп (микро
скопмя)
СЭМ — сканирующий электронный микроскоп (микро
скопни)
CVD — метод химического осаждения из пара (Chemical
Vapcr Deposition)
ТМС — туннельное магннтосопротивление
ЭЛЛ — электронно-лучевая литография
ЭУФ — экстремально дальний ультрафиолет
it
««IIIIIIH IM I* । II III ИН R НИИ Я Я Я Я П ШМПШИ ЖИВ Г ВНИИ!ВМЙ1 мин
ВВЕДЕНИЕ
Нанотехнология - совокупность методов изготовления и
обработки изделий, имеющих протяженность 1-100 нм
(хотя бы в одном измерении). Напомним, что 1 нм =
— 10 9 м = 10 * мкм = 10 А. Атом имеет размер порядка
0,1 нм, неорганические молекулы -1 нм, вирусы — от 10
до 500 нм; минимальный размер элементов современных
интегральных микросхем (ИМС) -100 нм, размер бакте-
рий -1000 нм.
Общепризнано, что нанотехнология — наиболее пер-
спективное направление современной технологии. Э. Тел-
лер (создатель американской водородной бомбы) обосно-
ванно утверждал, что тот, кто раньше овладеет нанотех-
нологией, займет ведущее место в техносфере XXI столетия.
Экономически развитые мировые державы выделяют
миллиарды долларов па развитие нанотехнологии. В на-
стоящее время на мировом рынке уже реализуется свы-
ше 3000 товаров, производимых с использованием нано-
технологии. В ближайшие 10 лет мировая потребность в
дипломированных специалистах в области нанотехноло-
гии будет исчисляться миллионами; стоимость мирово-
го рынка нанотехнологической продукции составит при-
мерно 1 триллион долларов США. За последние годы соз-
дано свыше 20 000 нанотехнологических компаний, их
число удваивается каждые два года. Широким фронтом
и со все возрастающей государственной поддержкой про-
водятся исследования и разработки в области нанотех-
нологий и в нашей стране. В 2007 г. президентом России
ВВЕДЕНИЕ 5
утверждена стратегия развития отечественной наноин-
дустрии. На разработки в этой области выделено более
180 млрд рублей.
Целью курса «Нанотехнология в электронике. Введе-
ние в специальность» является ознакомление студентов с
современной системой высшего технического образова-
ния, его основными задачами, организационными и мето-
дическими особенностями обучения в вузе, с документа-
ми, которые регламентируют учебу студентов, а также с
фундаментальными, общетехническими и профессиональ-
ными основами выбранной специальности, со спецификой
будущей работы выпускника, с перспективами его трудо-
устройства.
Курс содержит три части. Первая часть посвящается
фундаментальному и гуманитарному аспектам инженер-
ной подготовки, без которых невозможно сформировать
широкообразованного, системно мыслящего, ориентире
ванного на многоаспектную творческую деятельность
специалиста, способного с максимальной эффективно-
стью функционировать в современном обществе. Такой
подход соответствует новой образовательной парадигме,1
национальной доктрине образования в Российской Фе-
дерации и макропеременам в современном высшем обра-
зовании, связанным с переходом к экономике, основан-
ной на знаниях.
Во второй части пособия рассматриваются основы
развития электроники, обсуждается и дополняется ин-
формация, полученная студентами в курсах физики и
химии средней школы и позволяющая осмыслить эти
основы.
Третья часть посвящена научным и технологическим
аспектам наноэлектроники, путям и перспективам ее раз-
вития. Показывается, что нанотехнология в электрони-
ке — это одно из наиболее быстро развивающихся направ-
лений нанотехнологии.
* I 1ар«дигма система осяовоаолагающвх взглядов, общепринятая
в какой-либо области деятельности (например, в науке, образовании
и т. д.) и устойчиво существующая в течение некоторого исторически
го периода.
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
«
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. ВмЛкьг a cu«<i«.»nioc»»
JiiaimtiiMnimiiBimHRmifflMmuiwmMwiMMHBiwniRm
Учебное пособие составлено на основе опыта чтения
лекций но курсу «Введение в специальность» для сту-
дентов, обучающихся по специальности «Нанотехноло-
гия в электронике», преподавателями кафедры «Общая
и прикладная физика» Южно-Российского государст-
венного технического университета (Новочеркасский
политехнический институт).
Авторы благодарны сотрудникам кафедры и ее заве-
дующему профессору Л. С. Лунину за конструктивную
поддержку при написании этой книги, а также сотруд-
никам С. Н. Чеботареву, О. В. Сиуковой и Г. А. Еримееву
за помощь в оформлении иллюстративного материала.
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ
ОСНОВЫ
ИНЖЕНЕРНОЙ
ПОДГОТОВКИ
iiiiHiHimitiiuMmatiniflinNirin MiN*tiuiiiHiMiiRaitiaiatitiw!
ОСОБЕННОСТИ
ВЫСШЕГО
ТЕХНИЧЕСКОЙ)
ОБРАЗОВАНИЯ
1.1.
СОВРЕМЕННАЯ СИСТЕМА
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
И ЕГО ЦЕЛИ
Современная система высшего образования ст;»аны включа-
ет около КХХ) высших учебных заведений, из них более 500 —
государственные. По статусу вузы делятся на классические
университеты, технические университеты, академии и ин-
ституты. По профилю - - на многопрофильные и узкопрофиль-
ные, например сельскохозяйственные, медицинские и т. д.
Мощную и дорогостоящую систему образования стра-
на содержать бы не стала, если бы эта система не обеспе-
чивала решение важнейших государственных задач:
• повышение безопасности страны (в самом широком
смысле);
• подготовку специалистов для всех направлений эко-
номики;
• повышение интеллектуального уровня населения.
безопасность любой страны обеспечивается в основном
уровнем образованности населения. Так было во все време-
на; особенно это важно в условиях ускоренного развития
наукоемких производств, наукоемких видов техники и воо-
ружения. Великий китайский мыслитель Конфуций око-
ло 2500 лет назад назвал образованность населения одним
из условий преуспевания государства. Правительство США
неизменно обосновывает все мероприятия по развитию и
улучшению системы об[>аэования интересами безопасности
страны. В последних документах правительства Россий-
ской Федерации, направленных на совершенствование сис-
темы образования, необходимость его модернизации так-
же связывается с безопасностью страны.
Ччсяь 1 ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ 9
В соответствии с новой образовательной парадигмой у
высшего технического образования две основные задачи:
• подготовка высококвалифицированного специалиста,
обладающего профессиональными компетенция ми;1
• формирование широкообраэованпой личности и общих
знапиевых компетенций.
Первая задача — более узкая и простая; она не одина-
кова для всех (у каждого своя специал ьность) и не предпо-
лагает выполнения в течение всей жизни (многие специа-
листы вынуждены неоднократно менять свою специаль-
ность). Вторая задача универсальна, т. е. одинакова для
всех, и ее значимость не меняется в течение профессио-
нальной деятельности специалиста. Без решения второй
задачи полноценно решить первую невозможно. Одно из
важнейших требований к широкообразованной лично-
сти — это творческое системное мышление и способность
обеспечивать в условиях научно-технического прогресса
устойчивое существование человечества на Земле. Каче-
ства широкообразованной личности и общие компетенции
можно приобрести, лишь глубоко освоив фундаменталь-
ные и гуманитарные основы выбранной специальности.
Гуманитарные и фундаментальные знания сосредоточены
в блоках социогуманитарных (см. блок I на рис. 1.1) и ес-
тественнонаучных (блок II) дисциплин соответственно.
Эти дисциплины изучаются на первых курсах.
Современная экономика стала знаниевой. Фундамен-
тальные знания превратились в наиболее эффективную
движущую силу производства. Фундаментальные знания
создаются фундаментальными науками, т. е. науками,
посвященными исследованию природы. К таким наукам
относятся: физика, химия, биология, математика, ин
форматика и некоторые другие. Инженерные теории, как
правило, представляют собой модифицированные вариан-
ты теорий фундаментальных наук. Модификация состо-
ит в том, что фрагменты общенаучных теорий, имеющие
1 Компетенция совокупность взаимосвязанных качеств человека,
позволяющих ему эффективно выполнять свои профессиональные обя
эанностя (профессиональная компетенция), успению ориентироваться
в жизненных и служебных ситуациях (общие компетенции).
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
10
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. ВчеЛгьы • гмщих.ввст»
Рас. 1.1
Обрилолатглькая структура /пгхничгского университета
прикладное значение, преобразуются в теории, позволяю-
щие выполнять инженерные расчеты и проекты. Поэтому
любая инженерная дисциплина содержит фундаменталь-
ное ядро. Задача студента — научиться выделять из раз-
личных дисциплин фундаментальные знания, интегриро-
вать и обобщать их в своем сознании. Без этого не может
сформироваться широкообраэованный специалист. Спра-
виться с этой задачей помогают специальные учебные кур-
сы, в которых интегрируются основополагающие знания.
На рис. 1.1 такие курсы обозначены номерами 1-4. «Вве-
дение в специальность» — один из них.
ЧястИ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ 11
1.2.
ОСОБЕННОСТИ ОБУЧЕНИЯ
В ВУЗЕ
Основной особенностью обучения в вузе является то,
что в вузе не учат, а учатся. Студент — взрослый чело-
век, осознанно выбравший данную специальность, и по-
этому обязан сам осваивать все дисциплины учебного пла-
на, позволяющие ему стать специалистом-профессионалом.
Очевидно, что человек, не проявляющий самостоятельность
в учебе, не станет самостоятельным и в работе. Поэтому в
университете не столь тщательно, как в школе, контро-
лируются текущие знания студента; значительная роль
отводится самоконтролю.
Отсутствие постоянного самоконтроля в учебе —
основной признак того, что поступивший в вуз еще не
созрел быть студентом. В настоящем курсе вопросы для
самоконтроля приведены в конце каждой главы. Матери-
ал, необходимый для ответа на эти вопросы, выделен в
тексте пособия курсивом.
Второй особенностью обучения в вузе является то,
что студент за 5 лет учебы должен освоить значитель
но больше дисциплин (их более 50), чем в школе за 10 лет.
В учебном плане эти дисциплины распределены по четы-
рем блокам: 1- IV (рис. 1.1). Уже сами наименования пе-
речисленных блоков подчеркивают содержательное раз-
личие отнесенных к ним дисциплин. Это очевидное раз-
личие мешает неискушенному студенту осознать менее
очевидное, но чрезвычайно важное единство всех дисцип-
лин учебного плана. Единство дисциплин связано с двумя
обстоятельствами.
Во-первых, все дисциплины учебного плана образуют
единую систему курсов, внутренне согласованных друг с
другом так, что вместе они позволяют подготовить
высококвалифицированного и широкообразованного спе
циалиста. Принципиальная основа этой внутренней со
гласованности учебных дисциплин определяется Госу
дарственным образовательным стандартом (ГОСом),
а практическая реализация обеспечивается рабочими про-
граммами дисциплин.
12
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. В«Г1*гми « с«мыл.«х-т»
muni нам »ni*i 1ИШНЖМШИ «Eiieiiiiiiieiii» «омни i m
•2-
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ
ОСНОВЫ
ИНЖЕНЕРНОЙ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Во-вторых, почти все учебные дисциплины имеют об
щие фундаментальные основы, так как отражают раз
личные стороны одной и той же объективной реальности.
Документами, которые определяют описанные выше
особенности обучения студента в вузе, являются ГОС, учеб-
ный план и рабочие программы дисциплин. Эти докумен-
ты рассмотрены в третьей главе пособия.
Отметим также, что, в отличие от обучения в средней
школе, учеба в вузе — это фактически начало профес
сиональной деятельности человека. Во-первых, студент
осваивает содержательную основу будущей профессионале
ной деятельности, а во-вторых, интеллектуально созрева-
ет как специалист. И то, и другое обеспечивается всеми дис-
циплинами учебного плана. Кроме того, успех в профессии
пильной карьере специалиста зависит и от способности
студента самостоятельно работать с профессионала
но значимой литературой вне учебного плана.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Что такое нанотехнология? Какие размеры характерны для на-
ноизделий?
2. Какие государственные задачи решает высшее техническое об
разевание?
3. Какие требования к подготовке современного дипломирован
ного специалиста соответствуют новой образовательной пара-
дигме?
4. Какие науки и знания относятся к фундаментальным?
5. В чем состоят основные особенности обучения в вузе?
6. По какому признаку распределены дисциплины в учебном
плане?
7. В чем состоят различия и единство дисциплин учебного плана?
8. Какие основные документы регламентируют учебный процесс
в жузе?
2.1.
НАПРАВЛЕНИЯ
ИНЖЕНЕРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Принципиально различающихся направлений инженер-
ной деятельности (т. е. различающихся в своей естествен-
нонаучной основе) — только шесть. Они связаны с инфор
мацией, энергией, сырьем, материалами, изделиями и
транспортом (см. рис. 2.1). Каждая позиция на рис. 2.1,
от 1-й до 6-й, подразумевает соответствующее произвол
ство: производство информации (1), производство энер-
гии (2) и т. д. Любое из названных производств рассмат-
ривается здесь в самом широком смысле. Производство
информации включает получение, обработку и передачу
информации во всех сферах деятельности человека. Про-
изводство энергии включает преобразование любых видов
энергии (от механической до внутриядерной) в виды, не-
посредственно применяемые на производстве и в быту,
например, в механическую или электрическую. Производ-
ство сырья включает сырье, связанное не только с геоло-
гическими, но и с биологическими и другими источни-
ками. Материалы — результат придания сырью свойств,
которые обеспечивают получение из него тех или иных
изделий. К изделиям отнесено то, что производится из
материалов — от пуговицы до сложнейшей автоматизи-
рованной системы управления производством, от лопаты
до здания, от игрушки до гидроузла и т. д., — и имеет ха-
рактерное индивидуальное оформление и функциональ-
ное назначение. В понятие «транспорт» включается все, что
обеспечивает доставку материалов, изделий и т. д. к месту
дальнейшей переработки, потребления или хранения. Сюда
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ ВлгЛгччг « «хишлыихк»
Рис. 2.1
Основные виды
производств
относятся любые средства переме-
щения — от гужевого транспорта до
фотонной ракеты.
Между составными частями при-
веденного перечня (рис. 2.1) имеется
определенная иерархическая1 связь,
отражающая тотфакт, чтобезипфор
мании невозможно вовлечь знания и
опыт в производственную сферу, без
энергии производство теряет свою ес-
тественную движущую силу, т. е. не
реализуемо, без сырья невозможно
производство материалов и т. д.
Эта иерархия в принципиальном
пла не абсол ютна. Но на практике все
ступени иерархической лестницы,
изображенной на рис. 2.1, в равной
степени взаимозависимы. Никакая
из них не может существовать вне
связи со всеми остальными. Это про-
является, например, в любых произ-
водственных проектах и бизнес-пла-
нях, которые обязательно учитывают
издержки на информационное сопро-
вождение, па энергоснабжение, при-
обретение материалов и т. д. Наи-
более ярко описанные взаимосвязи
проявляются тогда, когда на их основе возникает конкрет-
ная инженерная специальность. Ее становление сопряже-
но с использованием знаний, касающихся сразу несколь-
ких или даже всех направлений практической деятельно-
сти, представленных на рис. 2.1. Это находит отражение
в учебных планах любой специальности. На1гример, в учеб-
ном плане специальности «Нанотехнология в электрони-
ке» имеются дисциплины, связанные с информатикой,
энергетическими вопросами, с материаловедением и т. д.
1 Иерархия соподчинение, расположение частей какой либо сис-
темы и порядка от ucuiero к »1изшг.му.
Часть I ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ 13
Число различных специальностей, обеспечивающих ос-
новные направления инженерной деятельности (рис. 2.1),
велико. Их перечень постоянно изменяется — некоторые
отмирают, зарождаются новые. Эти изменения отражают
общий научно-технический nporj>ecc. В настоящее время
технические вузы страны осуществляют подготовку ин-
женеров примерно по 300 специальностям, распределен-
ным по80 направлениям (см. «Перечень направлений под-
готовки дипломированных специалистов и отнесенных к
ним специальностей высшего профессионального образо-
вания»). В каждой специальности затрагиваются сразу
многие направления инженерной деятельности, представ-
ленные па рис. 2.1.
Взаимосвязи каждого компонента практической дея-
тельности человека с остальными указаны на рис. 2.1 но
мерами справа в соответствующем прямоугольнике. Пус-
тые прямоугольники отображают взаимодействие данного
производства с самим собой. Так, производство информа-
ции само является потребителем информации, энергети-
ка — энергии и т. д.
Взаимосвязи между направлениями практической дея-
тельности (рис. 2.1) учитываются при подготовке инже-
неров ра:«личными курсами, относящимися ко 2-му, 3-му
и 4-му блокам учебных дисциплин (см. рис. 1.1). Дисцип-
лины каждого блока обогащают интеллект будущего спе-
циалиста знаниями, формирующими творческое мышле-
ние высококвалифицированного специалиста. Поэтому
нельзя в процессе учебы делить дисциплины на важные
и неважные, как это часто делают неискушенные студен-
ты и недостаточно опытные преподаватели. Здесь ситуа-
ция вполне аналогична методам подготовки спортсмена.
Спортсменом высокого класса невозможно стать, не «на-
качав» все группы мышц, не укрепив дыхательный аппа-
рат. сердечно-сосудистую систему, общую выносливость
организма и психологическую устойчивость. В профессио-
нальном спорте не делят тренировки на важные и неваж-
ные. Точно так же, обучаясь в вузе, следует всесторонне
«накачивать» свой интеллекте помощью всех дисциплин
учебного плана.
16 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Ве^гьиг « («л,ии.»»™
Из рис. 2.1 видна связь практической деятельности
человека с природой. Информация, лежащая е основе
всех направлении деятельности человека, извлекает
ся им из природы либо непосредственно (естественны
ми науками), либо опосредованно — путем получения
вторичной информации (из первичной, фундаменталь-
ной). прикладными науками и инженерной практикой.
Все источники знаний обобщенно отображены на рис. 2.1
позицией «О*.
Энергия связана с природой тем, что представляет
собой общий признак, общую меру различных форм дви
жения и взаимодействия материальных объектов.
Любое сырье есть природное вещество.
Материалы — те же вещества, преобразованные к
виду, более удобному для непосредственного практиче-
ского использования. Причем преобразуются они в техно-
логических процессах, подчиняющихся законам фунда-
ментальных наук.
Любые изделия, а также самые сложные и хитроу м
ные устройства являются лишь комбинациями конст
рукционных элементов, выполненных из материалов с
использованием процессов, подчиняющихся законам при-
роды.
Транспорт использует принципы перемещения тел в
пространстве, разрешенные и определяемые физически
ми законами.
Таким образом, все направления инженерной деятель
ности либо копируют природу, либо если и создают но
вое, то лишь в рамках допустимого законами природы.
Поэтому не существует технических специальностей, не
опирающихся на законы фундаментальных наук. В част-
ности, все дисциплины учебного плана, формирующие
специалиста данного профиля, имеют общие фундамен-
тальные основы.
К сожалению, общность фундаментальных основ дис-
циплин учебного плана далеко не всегда осознается сту-
дентам и. Это затрудняет форми рование у студента с истом-
ного мышления и приобретение им широких профессио-
нальных знаний.
Tarn, I. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ 17
2.2.
ПРАКТИЧЕСКАЯ
ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА
И СОВРЕМЕННОЕ ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ
Практическая деятельность человека многогранна.
В данном разделе рассматривается лишь ее часть, относя-
щаяся непосредственно к производству (см. рис. 2.1).
Современное естествознание создало научно обосно-
ванную картину мира, которая включает материальные
структуры, возникшие в процессе эволюции Вселенной.
Магистральный путь эволюции — переход от простого
к более сложному. Один из ее основных механизмов — са-
моорганизация материальных структур. На некотором
этапе эволюции природа проявляет способность создавать
биологические объекты, т. е. материальные структуры,
для которых характерны избирательный обмен вещест-
вом и энергией с внешним окружением, внутренняя само-
регуляция, самовоспроизводство, эволюционное самосо-
вершенствование и адаптация к окружающей среде. В про-
цессе эволюции адаптивные способности таких структур
преобразовались в сложную информационную систему сбо-
ра, переработки и рационального использования важной
) для жизни информации — возникла эффективно дейст-
вующая нервная система. В условиях Земли эволюция
нервной системы живых организмов привела к появле-
нию человеческого мозга и разума. Возможности челове-
ческого разума выходят за рамки простых потребностей
поддержания жизни. Максимально ярко эти возможно-
сти проявляются в абстрактном мышлении, которое по-
зволяет человеку познавать окружающий мир, формируя
научные представления о нем. Таким образом, человек
оказался той материальной структурой, посредством
которой природа проявляет свою способность к самопо
знанию и к осознанному самосовершенствованию. Чело-
век, развивая фундаментальные науки, познает законы
природы и в пределах «разрешенного» этими законами
создает элементы искусственной природы, призванные
улучшать качество жизпи и обеспечивать ему все новые
возможности для более глубокого познания естественной
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ 18
18 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. о аи|.и.«ит
природы. К элементам искусственной природы относятся
предметы быта, различные технические устройства, меха-
низмы, сооружения и т. д., предназначенные для удовлетво-
рения потребностей человека во всех сферах его жизнедея-
тельности. Иными словами, к искусственной природе отно-
сится все то, что производится человеком в направлениях
практической деятельности, представленных на рис. 2.1.
Эволюция искусственной природы, опирающаяся на
разум, науку и инженерную деятельность, также идет
от простого к сложному. После удовлетворения элемен-
тарных потребностей у человека неизбежно возникают
новые, более сложные. Например, потребность дистанци-
онного общения, кото|>ая первоначально реализовывалась
передачей информации мимикой, жестами, акустически-
ми сигналами, стала затем обеспечиваться почтовыми со-
общениями, телеграфом, телефоном и, наконец, бурно
развивающимися в настоящее время сложными глобаль-
ными электронными системами связи с использованием
широкого спектра электромагнитных волн, искусствен-
ных спутников Земли, Интернета.
Потребности общества расширяются — вплоть до же-
лания создавать системы, подобные самому человеку как в
«техническом» (роботы), так и в «интеллектуальном» (ис-
кусственный разум) отношении. В конечном итоге все, что
создаст себе в помощь человек, должно (в области своего
применения) обладать большими возможностями, чем сам
человек. Здесь нет никаких принципиальных ограничений.
Иными словами, в своей практической деятельности чело-
век (в рамках законов при|м>ды) всемогущ. Он выступает в
качестве творца нового направления эволюции Вселенной,
создавая искусственную природу. Собственно, к этому и сво-
дится вся его практическая и научная деятельность.
Напомним, что эволюция естественной природы не
имеет творца, цели и проекта (см. подробнее в п. 2.5).
При этом материя реализуется в материальных структу-
рах, движение в любых изменениях этих структур, а
взаимодействие выступает в качестве движущей силы ука-
занных изменений. Все отдельные изменения материаль-
ных структур проявляются, в конечном итоге, в виде эво-
люции Вселенной. В процессе эволюции при рода действу-
ет «вслепую», методом проб и ошибок. Она случайным
образом создаст любые «разрешенные» законами приро-
ды материальные структуры. «Выживают» из них лишь
наиболее стабильные в данных условиях. К таким струк-
турам относятся, в частности, те, для которых характер-
на максимальная энергетическая выгодность. Все «вы
жившие» к настоящему времени материальные структу-
ры и составляют современную естественную природу.
Только на стадии возникновения мыслящей матери
альной структуры начинает действовать новая движу
щая сила эволюции творец, проектирующий каждый
отдельный акт развития искусственной природы и осу
ществляющий свои проекты. В этом — суть практике
ской деятельности человека и, в частности, суть дея
тельности инженера. Следовательно, практическая дея-
тельность человека есть результат эволюции Вселенной.
Решающим фактором в этой деятельности является ее ес-
тественнонаучная основа, которая охватывается современ-
ным естествознанием, что в равной степени относится и к
инженерной деятельности в области нанотехнологии.
Изложенное станет более убедительным, если ознако-
миться с основными элементами современной научной
картины мира. Научная картина мира включает представ-
ления о Вселенной и ее эволюции. В следующем парагра-
фе рассматриваются те фрагменты эволюции Вселенной,
из которых непосредственно вытекает естественнонаучное
единство всей практической деятельности человека и всех
дисциплин учебного плана для любых инженерных спе-
циальностей.
2.3.
ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ ОСНОВЫ
ПРАКТИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
ЧЕЛОВЕКА
То, что нас окружает, и мы сами — все это в широком
смысле природа. Человек распространил свои познания
Вселенной до расстояний 10м м, проник в микромир до
размеров 10 18 м и углубился в прошлое при изучении
20 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Ва^гхог л сш-чволыоат»
эволюции окружающего мира на 14 млрд лет. Выясни-
лось, что все и всегда во Вселенной сводилось к трем сущ-
ностям: материальные системы (объекты), взаимодейст-
вие объектов и их движение (развитие). Ничего иного в
мире не обнаружено. Объективная реальность материаль-
на непосредственно, а субъективная — опосредованно
(см. подробнее в п. 2.5).
Всеобщее взаимодействие приводит к неразрывным
взаи мосвязям во Вселенной всего со всем. Вселенная пред-
ставляет собой единую, целостную, необозримо сложную
материальную систему. По этому поводу поэтсказал: «Все
сущее во все века без счета верст невидимый связует мост,
и не сорвать тебе цветка, не стронув звезд» (Френсис
Томпсон, XIX в.). Описанная взаимосвязь затрагивает
любые формы проявления материи, включая духовную,
культурно-гуманитарную, социальную и т. п. сферы. Не
является исключением и сфера инженерной деятельно-
сти, а также подготовка к этой деятельности, т. е. обуче-
ние в вузе. Вот почему кажущаяся разнородность учеб-
ных курсов относится лишь к частностям; на самом деле
практически все дисциплины обладают глубоким есте
ственнонаучным единством. Это единство проявляется во
многих аспектах.
Начнем с того, совершенно общего для всех научных,
технических и гуманитарных сфер, подхода к изучению
реальности, которое называется моделированием. Попыт-
ка изучать Вселенную как единую, целостную материаль-
ную систему, какой опав действительности является, бес-
перспективна. Поэтому во всех науках любые сложные
системы и процессы стараются разложить на простейшие
составляющие и каждую изучать в отдельности. Но и на
этом пути сохраняется непреодолимый для познания ре-
альности уровень сложности материальных систем, если
не заменить каждый выделенный объект (процесс, взаи-
модействие)его идеализированной копией — так называе-
мой моделью. Моделирование — универсальный метод
познания во всех сферах научной, инженерной, социаль
ной, экономической и гуманитарной деятельности чело-
века, а также в образовании.
Чает. I ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ 21
В ходе любой познавательной деятельности человек
создает модели объектов и процессов природы, а затем
последовательно совершенствует эти модели с целью все
более полного и точного отражения реальности. Описан-
ный процесс познания бесконечен и постепенно прибли
жает нас к постижению абсолютной истины.
Моделирование возникло на поздней стадии эволюции
мозга с появлением абстрактного мышления и впервые
стало массово применяться в физике. Поэтому в одном из
определений физики утверждается, что физика — это ис-
кусство моделирования. По мнению академика Н. Н. Мои-
сеева: «Ничего другого, по своей целостности и логике
сравнимогос системой моделей в физике, человечество еще
не придумало». Моделирование широко применяется и в
других науках, а также в инженерном деле. Методы моде-
лирования явно или опосредованно рассматриваются и
используются практически во всех дисциплинах. Поэто
му идея моделирования является для всех дисциплин учеб
кого плана мощным объединяющим фактором и создает
одну из важнейших методологических основ интеграции
гуманитарной, естественнонаучной и профессиональной
составляющих инженерного образования.
Мысленно разделить окружающий нас целостный мир
на некие части и изучать их путем построения соответст-
вующих моделей можно по-разному. Однако объективная
реальность такова, что сама «навязывает» наукам о
природе логически непротиворечивую стройную иерархи
ческуюсистему моделей материальных структур. Имен-
но эта система и определяет разделение науки на отдель-
ные направления и их неразрывную естественнонаучную
взаимосвязь. В этом еще одна причина естественнонауч-
ной общности учебных дисциплин.
Иерархическая система материальных структур пол-
но отображает устройство нашей Вселенной в том прибли-
жении, на которое способны фундаментальные науки в
настоящее время. В данном курсе мы познакомимся с ук-
рупненными блоками иерархической системы материаль-
ных структур и не будем углубляться в особенности боль-
шинства из них. В блоки 1, 2 и 3 (см. рис. 2.2, 2.3, 2.4)
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
22 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Ввлклие в слл^олкмм-т»
Б»юж 1 Ндерсвхмчвскив материальные структуры
Неорг^и-^.^.'е
MiVnOpLUL'IbhlMtl СТ^ру КЛуры
| Фмэмка — класомеосм.
( Эт темен’Эрнье частицы
к статист Инескам физика
Ядра атомов
Атгыы
Галатеи
физика лпемянтарнмх
частиц,
Физика jjmmhh, мемзниса
твердого тала и т д
Геология, .геофизика^
науки о"3«мли и т д +
Пр»*ладные
науем и
тек низ а
Рве. 2 2
Иерархи чес кая система неорганических материальных структур
Химия биохимия
физ^ееская химия,
квантовая химия
физми. термедиьамигл
Астрономия
небесная механиса.
обедая теории относит важности
выделены отдельные части всеохватывающей иерархиче-
ской системы материальных структур, включающей, со-
ответственно, неживое, живое и мыслящее, а также соз-
данное человеком. На рис. 2.2 представлен блок 1, отно-
сящийся к неорганическим материальным структурам.
Каждая следующая материальная структура в представ
ленной системе включает предыдущие. Однако свойства
более сложной структуры качественно отличаются от
свойств составляющих ее частей или свойств простой
их совокупности. Например, атом обладает химически-
Чогт» I ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ 23
ми свойствами (ва.чентносгью) в отличие от его составляю-
щих — ядра и электронов, которым валентность не при-
суща. Макротела обладают теплопроводностью, электро-
проводностью, твердостью в отличие от отдельных атомов,
из которых состоят макротела и т. д.
Каждой материальной структуре соответствует
своя частная фундаментальная наука (физика, химия,
геология и т. д.) или несколько таких наук (рис. 2.2).
Значительная часть практической деятельности чело
века связана с макротелами, но используются также
поля, потоки частиц, ядра атомов, атомы, молекулы и
тела, имеющие размеры порядка 1-100 нм. На этом ос-
нованы новейшие технологии: элионная, плазменная, ла-
зерная, нанотехнология и т. д. Например, в ультрасовре-
менных технологиях интегральных микросхем исполь-
зуются потоки быстрых ионов (доноров или акцепторов),
полученных на ускорителях элементарных частиц, син-
хротронное излучение (релятивистское у-излучение) элек-
тронов, движущихся в ускорителе с околосветовыми ско-
ростями, и т. д.
Таким образом, почти все материальные системы на-
ходят технические применения. Исключением пока явля-
ется физический вакуум и космические объекты. Однако
изучение вакуума и космических объектов позволяет глуб-
же познавать свойства многих других материальных струк-
тур и процессов, опосредованно влияя на развитие прак-
тики. Достаточно упомянуть, что первоначально термо-
ядерные процессы в мащюмасштабах были обнаружены в
космических объектах (звездах) и лишь позднее стали
широко использоваться в земных условиях (в ядер ной
энергетике).
Изложенное отображено на рис. 2.2 прямоугольником
«Прикладные науки и техника», а пунктирными линия-
ми указаны связи различных направлений техники с фун-
даментальными науками, т. е. с общей естественнонауч-
ной основой.
Говоря образно, все направления практической дея-
тельности человека связаны с фундаментальными наука-
ми, как кисти винограда с лозой. Кисть может зародиться
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Нчедгниг • гпгуыиьмагп»
Чаем» I. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ 25
лить там, где возникнет почка, что соответствует месту
зарождения в недрах науки практически значимого ре-
зультата. Если кисть символизирует отдельное направле-
ние практической деятельности, то ягоды — отдельные
разделы этого направления; в образовании это — отдель-
ные специальности и специализации. Биохимические про-
цессы в ягодах, за счет которых они вызревают, — аналог
механизмов собственного развития техники (рационали-
зация, изобретательство, проектирование, разработки ин-
женерных наук).
Прекращение подпитки новыми фундаментальными
знаниями неизбежно приведет к остановке в развитии
данной отрасли. Так, развитие ламповой электроники,
исчерпав к середине XX в. основной естественнонаучный
ресурс, практически прекратилось (см. п. 4.2). Лишь от-
крытия в области физики полупроводниковых кристал-
лов обеспечили электронике новый импульс развития —
были созданы интегральные микросхемы, совершенство-
вание которых продолжается и сейчас. Так возникло со-
Бпок 2 Оргам«ч*жм. ы«1.риалы<ше структуры
Органичеом молекулы I
---------.---------е
Кгетм
Ор«»НИ!И
Биология
и другие каумм о живом
а также о •михлоке и сбтестее
( Популяция )
С БиЛноэ ) ( Чегоаек >
( Биосфера ( ОЕщаовс
Риг 2 3
Иерархическая система
ерганичегких мчтгриаль
ныл структур
временное техническое направление — микроэлектрони-
ка, а затем и наноэлектроника.
На рис. 2.3 представлен 2-й блок иерархической сис-
темы материальных структур, зародившихся в процессе
самоорганизации больших совокупностей органических
молекул определенного типа. На рисунке видно, что нау-
ки о живом, человеке, обществе и т. д., также связаны с
объективной реальностью, т. е. имеют естественнонауч-
ную основу. Не являются исключением и сфера культу-
ры, все виды искусства, религии и т. д.
На рис. 2.4 представлен 3-й блок иерархической сис-
темы материальных структур, связанных с деятельностью
Ем <ж 3 Эг»*ые*<ты искусственном природы
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
Чоев» I. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ подготовки 27
26 НАНОТЕХНОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОНИКЕ. ВлгЛгаш в спчыадмогл»
человека. В эту иерархическую систему следует включить
все, что создал человек за всю историю в культурной, на-
учной и технической сферах. К сожалению, строгая иерар-
хическая система структур искусственной природы пока
отсутствует. Не исключено, что для всего необозримого
множества качественно весьма разнообразных изделий тех-
ники, созданных на П|ютяжении истории человечества,
построить единую иерархическую систему невозможно.
Нетрудно представить себе лишь частные иерархические
системы, объединяющие некие объекты или результаты
практической деятельности по какому-то одному призна-
ку. Поэтому на рис. 2.4 обозначены только отдельные на-
правления возможных частных иерархических систем.
В этих направлениях можно предложить, например, ие-
рархию основ функционирования различных щюизводств.
Так, в основу производства энергии могут быть положе-
ны: «мускульная» энергия, гидроэнергия, тепловая, ядер-
ная, солнечная и т. д.
Представленные на рис. 2.2, 2.3 и 2.4 блоки иерархий
неживого(блок 1), живого и мыслящего (блок 2) и создан-
ного человеком (блок 3) образуют основу всего, с чем че-
ловек сталкивается в науке, культуре и технике.
Помимо изложенного, естественнонаучные основы
практики ярко представлены эволюцией Вселенной, ко-
торая демонстрирует единство и целостность Вселенной,
а также единство законов природы, которым подчиняют-
ся любые процессы в неживой и живой природе.
2.4.
ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ
И ОБЩНОСТЬ ЗАКОНОВ ПРИРОДЫ
Все материальные структуры, рассмотренные в пре-
дыдущем параграфе, возникли в процессе эволюции Все-
ленной. Процессы эволюции подчиняются единым зако-
нам природы. В пределах разрешенного этими законами
протекает и практическая деятельность человека. Зако-
ны природы — еще один общий естественнонаучный
стержень всей практической деятельности человека. По-
этому рассмотрим основные этапы эволюции Вселенной
Рж-.2.в
Условная схема эволюции Вселенной
28 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЗЛЕКТРОНИ KE. Вогдг»»» о г
и основополагающие законы природы, управляющиеэтим
процессом. Коснемся лишьтех эталон эволюции, которые
связаны с возникновением структур неживой материи
(см. рис. 2.2), так как масштабы использования биострук-
тур и биопроцессов в технических сферах пока сравнитель-
но скромны.
На рис. 2.6 приведена условная схема эволюции Все-
ленной, фиксирующая внимание лишь на некоторых ее
этапах. По оси ординат отложено время t (от момента за-
рождения Вселенной) сначала в секундах, а затем в го-
дах вплоть до настоящего времени (-14 млрд лет). Мас-
штаб искажен таким образом, чтобы было удобно описы-
вать происходящее на различных этапах эволюции. По
оси абсцисс от точки «О» откладывается вправо и влево
радиус Вселенной R (в метрах). Взаимное соответствие
временных и геометрических характеристик выдержи
вается только для момента возникновения (Л — 0) и для
настоящего времени (Я — 10“ м); сплошные кривые, со-
единяющие начальный и конечный размеры Вселенной,
произвольны и лишь условно отображают ее постоянное
расширение. Временной уровень АД'соответствует совре-
менному периоду существования Вселенной, а стрелка на
прямой ДА' указывает направление увеличения констан-
ты взаимодействия, характеризующей относительную
«силу» фундаментальных взаимодействий. Например,
электромагнитное взаимодействие (константа взаимодей-
ствия— 10 2)значительно «сильнее» гравитационного
(10 *”) и «слабее» ядерного (10). Вдоль левой вертикаль-
ной пунктирной прямой отложены значения температу-
ры, которую Вселенная имела в соответствующие момен-
ты своей эволюции.
Используя схему на рис. 2.5, рассмотрим основные
этапы эволюции Вселенной. Начиная с 10 35 с, теория эво
люции Вселенной довольно хорошо моделирует развитие
Вселенной. Эта теория общепризнана, плодотворно ис-
пользуется в дальнейших исследованиях окружающего
нас мира и постоянно приумножает наши знания о не-
живой природе, которые находят применение в практи-
ческой деятельности человека. Она называется теорией
tam. I ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ подготовки 29
Большого взрыва и основывается на модели горячей Все-
ленной. Теории более ранней стадии развития Вселенной
еще далеко не завершены. Но одна из них наилучшим
образом дополняет теорию Большого взрыва и считается
наиболее перспективной. Это так называемая теория ин-
фляции (теория раздувания) Вселенной. В теории инфля-
ции возникновение Вселенной связывают с физически-
ми процессами, происходящими в вакууме; она объеди-
няет процессы в микро- и мегамирах. По современным
представлениям, вакуум — сложная все заполняющая
динамическая квантовомеханическая система, постоян-
но и повсеместно порождающая виртуальные частицы и
античастицы. Некие весьма сложные процессы в вакуу-
ме, названные инфляционными, лежат в основе зарож-
дения Вселенной.
Наша Вселенная возникла примерно 14 млрд лет на-
зад из первоначально чрезвычайно малого объема и ста-
ла очень быстро расширяться. Этот период в истории Все-
ленной называется эрой инфляции. Она продолжалась
от 10‘4* до 10 “с (см. рис. 2.5). Вопросительные знаки
на рис. 2.5 (внизу) отражают отсутствие для этого пе-
риода эволюции общепризнанной теории. Весьма веро-
ятно, что до эры инфляции существовал лишь один вид
фундаментального взаимодействия между элементарны-
ми частицами, заполнявшими Вселенную. Это взаимо-
действие названо Суперсилой. К моменту 10 42 с от Су-
персилы отделилась гравитация (левая пунктирная кри-
вая на рис. 2.5).
Гравитация существует в качестве отдельной фунда-
ментальной силы и в наше в|>емя. Оставшиеся объединен-
ными, три взаимодействия (сильное, электромагнитное и
слабое) получили название Великого объединения.
К моменту 10~*® с закончилась эра инфляции, расши-
рение замедлилось, начался период, описываемый теори-
ей Большого взрыва.
Великое объединение к моменту 10 20 с разделилось на
сильное (ядерное) взаимодействие (правая пунктирная
кривая на рис. 2.5) и на электрослабое. Ядерное взаимо-
действие существует и в наше время.
30 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ, йосдтиг « спгчм-аыии-пи
К моменту 10 10с электрослабое взаимодействие рас-
палось на слабое и электромагнитное. Это утверждение
уже получило строгое теоретическое обоснование.
Итак, в процессе эволюции Вселенной единое взаимо-
действие (Суперсила) распалось на четыре фундаменталь-
ных взаимодействия. Слабое взаимодействие пока не на-
ходит использования в технике. Все силы, учитываемые
а инженерном деле, сводятся к трем фундаментальным
видам взаимодействия: гравитационному, электромагнит-
ному и ядерному. Универсальность фундаментальных
сил, используемых в практической деятельности чело
века, — одна из основ естественнонаучного единства
фундаментальных и инженерных дисциплин.
Рассмотрим, как в процессе эволюции Вселенной фор-
мировались материальные структуры неживой природы
(см. рис. 2.2).
В эру инфляции (10 10“ с) возникла первопричи-
на появления в будущем всего вещественного, включая
нас, и всего того, что используется в технике. Дело в том,
что в ту эру (см. рис. 2.5) при температурах lO^-lO^K
материя существовала в виде излучения, элементарных
частиц и античастиц. На последующих этапах эволюции
частицы и античастицы попарно аннигилировали (взаим-
но уничтожились) превращаясь в излучение. Так как ан-
тичастиц было на 10’7% меньше, чем частиц, то некото-
рая доля частиц (10 9 от исходного их количества) сохра-
ниласьдо наших дней, обеспечив образование современной
вещественной природы, лежащей в основе всей техники.
Число оставшихся частиц — 10е0. Античастицы анниги-
лировали практически полностью. Антивещества в кос-
мических масштабах в природе нет.
Затем (10’85-10 4 с) наступает эра адронов: дальней-
шее расширение Вселенной происходит уже в соответст-
вии с теорией Большого взрыва. Температура Вселенной
убывает от 102й К до 10|г К. В конце этой эры кварки объ-
единились в адроны, к которым относятся, в частности,
протоны и нейтроны. Так образовались частицы, из ко-
торых состоят ядра атомов. Однако в эру адронов объе-
динения нейтронов и протонов в ядра атомов произойти
Част* I ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ 31
нс могло, так как температура еще была слишком высо-
кой (Т > 10'2 К).
В эру лептонов (10“4-300 с) происходит реакция ме-
жду протонами и нейтронами, в результате которой от-
ношение числа оставшихся нейтронов к числу протонов
стало равным примерно 0,15. К моменту 300 с темпера-
тура расширяющейся Вселенной упала до 10® К, и возник-
ли условия для образования ядер изотопа водорода (JD) и
гелия (j Не, jHe). Но это уже начало эры фотонов, кото-
рая длилась примерно от 300 с до 10е лет (см. рис. 2.5). До
момента 10 000 лет нейтроны были израсходованы пол-
ностью на образование гелия (-25% ). Оставшиеся прото-
ны проявились в дальнейшем как ядра атомов водорода
(-75%). Примерно это же соотношение между содержа-
нием гелия и водорода сохранилось в среднем во Вселен-
ной и в наше время.
После образования ядер легких элементов (-300 с) ве-
щество еще длительное время (- 106 лет) представляло со-
бой плазму. Высокая температура не позволяла сущест-
вовать нейтральным атомам. После снижения температу-
ры примерно до 4000 К электроны стали удерживаться
вблизи ядер, образуя атомы водорода и гелия. Активность
взаимодействия фотонов с веществом ослабла. Вселенная,
ранее непрозрачная, стала прозрачной. Началась эра ве-
щества (эра звезд), продолжающаяся и сейчас.
Изложенное показывает, что в эру адронов, лептонов
и фотонов, т. е. до эры вещества, материальные системы
усложнялись и разнообразились путем объединения эле-
ментарных составляющих во ж* более сложные конструк-
ции. Аналогичный подход в практической деятельности
человека называется технологией по принципу «снизу
вверх» (создание сложного из более простых частей). Хи-
мики так получают молекулы из атомов, различные мате-
риалы — из молекул; механики таким же образом созда-
ют сложные изделия из отдельных конструкционных эле-
ментов; электронщики получают сложные электронные
системы из схемных элементов и т. д.
В начале эры вещества Вселенная «ххггояла из газообраз-
ного водорода и гелия, почти равномерно распределенных
Чычч / ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ подготовки 33
32 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Вжвениг а <л«»и«льлоеяь
в пространстве. Вокруг первоначально весьма слабых неод-
нородностей вещества стали об[>аэовы|шться (за счет грани
тационных сил) огромные газовые сгущения. Со временем
они преврат ились в галактики, которые, в свою очередь,
распались на протозвезды. Сжимаясь, протозвезды нагре-
вались до возникновения собственного свечения и таким
образом становились звездами.
В итоге первоначальносплошная, почти однородная и
предельно хаотизированная плазменная среда Вселенной
превратилась за счет гравитационного (и в меньшей степе-
ни — электромагнитного) взаимодействия в обособленные
звездные скопления — галактики. Механическое взаимо-
действие частей среды, ускоряющихся при гравитацион-
ном стягивании к центрам галактик и звезд, трансформи-
ровалось в поступательное и вращательное движение га-
лактик, звезд и других небесных тел. Возникли новые
процессы самоорганизации, приведшие сперва к ядерно
му превращению звездного водорода в гелий и в более тя-
желые элементы (вплоть до железа), а затем и в еще более
тяжелые элементы (вплоть до урана) — при взрывах звезд,
находящихся в неустойчивом состоянии («взрывы сверх-
новых»). Так появился «строительный материал » для воз-
никновения вещества.
Изложенное показывает, что в начале эры вещества
новые структуры (скопления галактик, галактики, звез-
ды и другие небесные тела) возникали из более обширных
образований и превращались в их части. В инженерном
творчестве подобный процесс связывается с технологией
по принципу «сверху вниз». Так изготавливают схемные
микроэлементы в поверхностном слое монолитного полу-
проводникового кристалла в производстве ИМС, канце-
лярские кнопки из цельного листа металла и т. д.
Изучение Вселенной показало, что фундаментальные
законы природы одинаковы во всей Вселенной и на всех
этапах ее эволюции. Те же законы лежат в основе техни-
ки и обеспечивают научно-технический прогресс. Универ
сальность и единство законов природы определяют так-
же естественнонаучную общность фундаментальных
основ всех дисциплин учебного плана.
2.5.
ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ИНЖЕНЕРА
И РЕАЛЬНОСТЬ
Естественная природа развивается на основе процес-
сов самоорганизации. С этой точки зрения человек пред-
стает как особая движущая сила самоорганизации, про-
являющаяся на определенном уровне развития матери-
альных структур. С его появлением связано создание и
развитие искусственной природы. У истоков искусствен-
ной природы стоит человек, ставящий и реализующий
определенные цели. В области производства — это инже-
нер. Проанализируем изложенное с помощью рис. 2.6,
РЕАЛЬНОСТЬ
Рмс.2.6
Саяэи объективной и субъективной реальностей
с инженерной деятельностью
ртредактировал и опубликовал на сайте : Р R Е S S I ( Н Е R S О N
34 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ, слщыиышст»
на котором представлена схема, отображающая все суще-
ствующее, т. е. реальность.
Реальность разделяется на объективную (иногда ее
называют действительностью) и субъективную. Объек
тивную реальность можно разделить на естественную
(верхняя левая часть схемы) и искусственную (нижняя
левая часть). Для обсуждения первичных фундаменталь-
ных основ инженерной деятельности целесообразно и субъ-
ективную реальность разделить на две части (принцип де-
ления пояснен ниже).
Естественная объективная реальность — это весь
мир самопроизвольно возникших материаленых систем,
взаимодействий, движений. В своей видимой части —
это метагалактика (наша Вселенная). Назовем для крат-
кости все, что «населяет» естественную объективную ре-
альность, объектами. Термином «объект» здесь обозна-
чены все три материальные сущности: объект, взаимодей-
ствие, движение.
Наша Вселенная непрерывно эволюционирует. Это
проявляется в возрастании разнообразия и сложности ма-
териальных структур. В процессе эволюции сложилась
иерархия в области неживых объектов, приведенная на
рис. 2.2. Ветвь эволюции в направлении от простых неор-
ганических к сложным органическим системам представ-
лена на рис. 2.3. Она привела к образованию мыслящих
материальных систем; на Земле — это человек. На схеме,
изображенной на рис. 2.6, «мыслящий объект» обозначен
верхним прямоугольником слева.
Любая материальная система отражает (изменением
своего состояния) Наличие и свойства других материаль-
ных систем, с которыми она взаимодействует. Строго гово-
ря, в мире все взаимодействует со всем. Поэтому отраже
ние является всеобщим свойством материи, а мышление,
возникшее в процессе эволюции материи, представляет
ся высшей формой проявления этого свойства.
Посредством мышления происходит самопознание ес-
тественной объективной реальности. В процессе познания
наше мышление создает некие образы материальных объ-
ектов. Мысленный образ объекта — это его модель. Субъ
Чаоы I ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ 35
ективнал реальность азаселена», в частности, моделя
ми материальных объектов. Каждому объекту может
быть сопоставлено несколько моделей. Например, при раз
витии наших представлений об атоме использовались мо-
дели Демокрита, Томсона, Резерфорда, Бора и квантово-
механическая модель. Поэтому субъективный мир более
плотно «заселен», чем известный естественный мир(т. е.
т > п; рис. 2.6).
Модели объектов естественного мира возникают в
процессе познания природы фундаментальными наука
ми, искусством, религиями, бытовым мышлением. Пра-
вая верхняя часть схемы на рис. 2.6 содержи!' наши пред-
ставления о том, что существует в естественном объектив-
ном мире в настоящее в|>емя и что существовало в прошлом.
Прошлое моделирует история, теория эволюции Вселен-
ной и т. д. Для практической деятельности (в частности,
для инженерной) важно, что мы способны домысливать
нечто дополнительное к существующему и создавать мо-
дели желаемого будущего. Например, в экономике это
бизнес-план, в военном деле — тактическая разработка
боевой операции, в инженерии — проект нового изделия.
Инженерные проекты, т. е. мысленные образы новых
устройств, изделий, механизмов, технологических про
цессов, занимают свою часть субъективной реальности.
Проекты могут материализоваться в схемах, чертежах,
вещественных копиях будущих изделий и т. д. Однако во
всех случаях суть проекта заключена в инженерной мыс-
ли. На рис. 2.6 проекты, как модели будущего, «заселя-
ют» ту часть субъективной реальности, которая представ-
лена справа снизу. Проекты порождаются инженерным
творчеством на основе критики недостатков существую-
щего и разработки путей их преодоления, к чему сводится
проектирование.
Субъективная и объективная реальности соприка
саются, во первых, в процессе познания человеком при-
роды (вертикальный прямоугольник в верхней части схе-
мы) и. во вторых, в процессе производственной деятель
ности инженера (прямоугольник в нижней части схемы
на рис. 2.6). Производственная деятельность инженера
Ч»т» I ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ 37
36 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. B«**ur о елгц«<ммот»
порождает искусственную объективную реальность (ис-
кусственную природу) при воплощении проектов в изде
лил (левая нижняя часть схемы). В настоящее время ис-
кусственная природа «заселена» громадным количеством
изделий, и их число постоянно возрастает в результате
инженерной деятельности. Они постепенно вытесняют
объекты естественной природы из непосредственного жиз
необеспечивающего окружения человека.
Истоки инженерной деятельности находятся в недрах
естественной объективной реальности, в фундаменталь-
ных законах природы. Ни один проект не может быть осу-
ществлен, если он противоречит этим законам. Создание
моделей в процессе познания естественной объективной
реальности позволяет осознать человеку, каким образом
можно лучше адаптироваться к окружающему миру и ви-
доизменить его с целью повышения качества своей жиз-
ни. Такое осознание возникает в той части субъективной
реальности, которая является продуктом фундаменталь-
ных наук. На следующей стадии творческой деятельно-
сти человека (при создании моделей желаемого будуще-
го) абстрактная познавательная деятельность преврапцг
ется в конкретную созидательную и зарождается новый
этап эволюции природы — этап создания искусственной
объективной реальности. Этот этап существенно отлича-
ется от предшествующего. Ниже приведено сопоставле-
ние основных особенностей эволюции естественной и ис-
кусственной природы (табл. 1).
Сравнение особенностей развития естественной и ис-
кусственной природы показывает, что эти два процесса
имеют как существенно различающиеся, так и схожие
признаки.
И инженер, и природа могут создавать только то, что не
противоречит законам естествознания (см. п. 3 в табл. 1).
И в первом, и во втором случае сохраняется лишь то, что
выдерживает некий конкурентный отбор (п. 4). Общее на-
правление развития — «от простого к более сложному»
(п. 5). Ограничений в создании интеллектуальных мате-
риальных структур у человека, как и у природы, нет(п. 6).
Разница в том, что природа в этом уже преуспела, а человек
Таблица /
Основные особенности развития естественной
и искусственной природы
Кствгтвмшвя прмроля Искусственная npiijyjai
1. Отсутствие творца, заказчи ка, цели, плана и примере для под- ражания 1. Наличие тхорца (ипжеиер), злкл.чл (социальаш-о). целя, ила на н примера для подражания (естественная при^юдл)
2. Меканиям возникновения но вых структур — самоорганиза- ция и процесс «проб н ошибок» 2. Процессы самоорганизации и метод проб и ошибок реализуют- ся через планируемое и осознан ное творчество инженера
3. Возможность возиикновенмя только того, что не противоречит законам природы 3. Возможность создания только того, что яе противоречит зако- нлм природы
4. Сохранение из возникшего лишь устойчивых, стабильных гц>м данных условиях структур 4. Сохранение из созданного лишь того, что выдерживает конкурентный отбор (по техниче- ским, экономическим, экологи четким и др. признакам)
5. Общее направление эволю- ции — от простого к сложному; ее результат — увеличение разнооб разня к сложности материальных систем в ири|Х>де 5. Общее направление разви- тия ст примитивного к более совершенному: увеличение раз- нообразия к сложности объектов техносферы
6. Возможность создания систем, посредством которых материя проявляет свою способность к гамо познанию 6. Возможность спадания мыс- лящих устройств (искусственный интеллект)
7. Необходимость адаптации че- ловека к естественной природ* 7. Изначальная аддптирован- мость искусственной природы к потребностям человека
8. Отсутствие морального и фи- зического износа того, что созда но природой, м отходов ее зволю цмм 8. Наличие морального и физиче- ского износа того, что создает человек, в накопление отходов его деятельности
9. Отсутствие возможности ис- черпания имеющейся во Вселен ной энергии — происходит кру- говорот энергии н взаимное пре^ врящсннс ее видов 9. Наличие безвозвратных потерь энергоресурсов планеты, кото- рыми может пользоваться чело- век; неизбежность их исчерпания
10. Отсутствие критических гра ниц эволюции Вселенной, выход за пределы которых грозит ката- строфой все й системе 10. Наличие критических границ рлзвития в масштабах Земли, выход за пределы которых при «едет к неизбежной катастрофе человечества как глобальной системы
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N
38 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Bordtnur « спп|шмм»ог<<|*
находится лишь в начале пути. Перечисленное — основа
для оптимизма человека как творца своего будущего, ис-
точник созидательного порыва для новых поколений ин-
женеров. Фундаментальные науки демонстрируют буду-
щему специалисту неисчерпаемое обилие примеров для
подражания в недрах естественной природы (п. 1). Создан-
ное природой (особенно на этапе биологической эволюции)
по многим показателям опережает созданное человеком.
Достаточно вспомнить сложнейшие биологические инфор-
мационные системы (нервная, гормональная, генетиче-
ская), возникшие на Земле более 3 млрд лет назад. Инст-
рументальная информатика пока не может создават ь по-
добные системы.
Осмыслить различия в особенностях эволюции есте-
ственной и искусственной природы также важно для бу-
дущего инженера. В природе отсутствует феномен мо-
рального и физического износа (п. 8). Переход от простых
материальных структур ко все более сложным не превра-
щает простое в ненужные отходы эволюции. Все возник-
шее на различных этапах эволюции входит в состав Все-
ленной как неотъемлемые части единой целостной систе-
мы (см. рис. 2.2). Напротив, созданное человеком устаревает,
перестает использоваться, превращается в постоянно на-
капливающиеся отходы искусственной эволюции. К этим
отходам добавляются изделия разового использования, а
также неизбежные побочные продукты технологических
процессов. Важнейшим отходом становится и выделяемая
в процессе деятельности человечества энергия.
В итоге возникает техногенная перегрузка сферы
жизнедеятельности человека бесполезными или даже
вредными отходами искусственной эволюции. На плане
те Земля допустимый уровень указанной перегрузки име
ет определенный критический предел, и этот предел
фактически достигнут. Поэтому инженер XXI века,
создавая новое, должен способствовать снижению коли
чества техногенных отходов.
Во Вселенной нет процессов, приводящих к общим по-
терям энергии; происходят лишь процессы ее перераспре-
деления и взаимного превращения из одного вида в дру-
Часть 1 ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ 39
гой. На Земле 'геловек, осуществляя развитие искусствен-
ной природы, вынужден пока использовать в основном
ограниченные невоэобновляемые энергетические ресурсы
(п. 9). Поэтому современный инженер в любой сфере дея-
тельности должен максимально снижать энергопотребле-
ние и по возможности переходить на возобновляемые ис-
точники энергии.
Наконец, при естественной эволюции не обнаружива-
ются какие-либо пределы, за которыми просматривался
бы сценарий саморазрушения и гибели всей системы в це-
лом. Развитие же искусственной природы на Земле имеет
критические пределы (п. 10). Некоторые ученые убежде-
ны, что пределы возможного для эволюции человечества
уже преодолены. Если не перейти на оптимальное, науч-
но обоснованное регулирование развития техники и эко-
номики, то в XXI в. нас ожидают глобальные катастрофы
(необратимые изменения климата, существенное сокра-
щение видового разнообразия в биосфере, недопустимые
потери минеральных ресурсов и т. д.), а вслед за этим —
социальные катаклизмы. Современный инженер, будучи
профессионалом в области некоторого конкретного про
изводе тва, должен учитывать сложную цепь взаимосвя
зей практической деятельности человека и глобальной
стабильности существования человеческого общества
на Земле. Важно и другое: инженерная прослойка в обще-
стве является достаточно активной и многочисленной. От
культуры и мировоззренческих установок, преобладаю-
щих в сообществе инженеров, во многом зависит форми-
рование рационального типа поведения общества в целом.
Очевидно, что узкоспециальное инженерное образование
совершенно не отвечает этой социальной роли инженера.
Инженер в своей деятельности часто копирует приро
ду. Для специалиста в области нанотехнологии важно ис-
пользовать два универсальных «подхода» природы при
создании новых систем из уже существующих. В процес
се эволюции природа создает новую систему либо из бо
лее простых и компактных (по так называемому прин
ципу «снизу вверх» ), либо из более сложных и крупных
по принципу «сверху вниз». По принципу «снизу вверх»
40 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. ВмЛгкиг , емцшмность
возникли, например, молекулы из атомов, макротела из
молекул, залежи монолитного песчаника из совокупности
песчинок, планеты из мелких небесных тел. По принципу
«сверху вниз» образовались галька и песок из монолитных
горных пород, капли дождя из однородных объемов водя-
ного пара, звезды (как обособившиеся части галактик).
Аналогичным образом работает и инженер. По прин-
ципу «снизу вверх» он синтезирует молекулы из отдель-
ных атомов и вещество в макрообъемах (из молекул). По
принципу «сверху вниз» инженер создает из крупного
макротела более мелкие изделия. Например, исходным
«макротелом» в производстве интегральной микросхемы
(ИМС) является монокристаллический слиток кремния.
Его разделяют на тонкие пластины, из которых получают
небольшие кристаллики — чипы. Чип — основа ИМС. На
нем специальным методом (литография) выделяются еще
более мелкие части, которые являются активными, пас-
сивными или соединительными элементами ИМС. В ито-
ге материал слитка, объемом более 104 смя, используется
для создания схемных элементов, объемом менее 10 14 см*.
Теперь этот метод усовершенствуется и переносится в тех-
нологию наноструктур.
В обычных технологиях чаще используется принцип
«сверху вниз». В нанотехнологии, вероятно, более широ-
ко будет использоваться принцип «снизу вверх», т. е. от
атомарных объектов к объектам наноразмеров. При этом
особую значимость приобретут процессы самоорганизации
атомов в необходимые наноструктуры (см. п. 2 в табл. 1).
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Какие основные направления инженерной деятельности вы
знаете?
2. В чем состоит иерархическая связь между различными вида-
ми производств?
3. Как связаны различные вады производств с природой?
4. Охарактеризуйте основные направления и механизмы эволю-
ции естественной и искусственной природы.
5. Каков результат эволюции нервной системы живых организмов?
6. Что представляет собой человек как особая материальная сис-
тема?
Worm. I. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ 41
7. Чем обусловлена и в чем проявляется взаимосвязь между раз
личными учебными дисциплинами?
8. Опишите иерархические системы материальных структур.
9. Как связаны фундаментальные науки с материальными струк-
турами?
10. Как связаны общие естественнонаучные основы различных на-
правлений инженерной деятельности с законами природы?
11. Какам образом возникли химические элементы и структуры
иерархической системы неорганической природы?
12. Что такое реальность? Что охватывают понятия «объективная»
и «субъективная реальность»?
13. Что такое инженерный проект?
14. Охарактеризуйте сферы соприкосновения объективной и субъ-
ективной реальностей.
15. Сравните особенности развития естественной и искусственной
природы.
16. Каковы основные источники накопления техногенных отхо-
дов жизнедеятельности человека? Каковы задачи инженера в
этой сфере?
17. Охарактеризуйте роль инженера в обеспечении глобальной ста-
бильности существования человеческого общества.
18. В чем суть двух основных вариантов возникновения в природе
новых систем по принципу «снизу вверх» и «сверху вниз»?
Опишите аналогичные варианты технологий в инженерной
практике.
и опубликовал на сайте' Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
hnwiBin Hiiiniinifli 1М11па11нв1машпмшм1мш1п
•3-
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ
ОСНОВЫ ДИСЦИПЛИН
УЧЕБНОГО ПЛАНА
3.1.
ОСОБЕННОСТИ ГОСУДАРСТВЕННОГО
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО СТАНДАРТА
ПО НАПРАВЛЕНИЮ
•НАНОТЕХНОЛОГИЯ
В ЭЛЕКТРОНИКЕ»
В основе подготовки дипломированных специалистов
лежит Государственный образовательный стандарт
(ГОС). Для каждого направления подготовки имеется
свой ГОС. Он определяет:
• перечень специальностей поданному направлению;
• нормативный срок подготовки специалистов;
• квалификационную характеристику выпускника;
• требования к обязательному минимуму содержания
основной образовательной программы;
• перечень общегуманитарных и социально-экономиче-
ских, общематематических и естественнонаучных, об-
щепрофессиональных и специальных дисциплин фе-
дерального уровня;
• сроки освоения основной образовательной программы;
• требования к учебно-методическому, материально -тех-
ническому и кадровому обеспечению учебного процес-
са, к организации практик;
• требования к профессиональной подготовке выпуск-
ника и к его итоговой государственной аттестации.
ГОС определяет также область, объекты и виды про
фессиональной деятельности специалиста. Сюда относят-
ся: научно-исследовательская, проектно-конструкторская,
производственно-технологическая, экспертная, организа-
ционно-управленческая, эксплуатационно-сервисная дея-
тельность. При этом объектами профессиональной дея-
тельности могут быть наноматериалы, нанокомпоненты,
устройства и приборы на их основе, технологические про-
J ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ 43
цессы их изготовления и их свойства, зависимости этих
свойств от технологических режимов получения и обра-
ботки наноматериалов, проектирование и конструирова-
ние наноприборов, технологического и диагностического
оборудования и т. д.
Даже приведенный неполный список того, что опреде-
ляет ГОС в подготовке специалиста, демонстрирует осново-
полагающее значение этого документа. 11а его базе разраба
тываются учебные планы, содержащие помимо дисциплин
федерального компонента, региональные дисциплины, дис-
циплины по выбору студентов и факультативные учебные
курсы.
В итоге учебный план обычно содержит не менее 50 дис-
циплин, распределенных по четырем блокам, как это по-
казано на рис. 1.1. Дисциплины учебного плана, за ма-
лым исключением, имеют общие фундаментальные осно-
вы. Все естественнонаучные и технические дисциплины
объединены общностью материальных основ (п. 2.3) и фун-
даментальных законов природы (п. 2.4), которым подчи-
няются любые материальные процессы. Проиллюстриру-
ем это утверждение на примере курсов естествен ненауч-
ного (ЕД), общепрофессионального (ОПД) и специального
(СД) блоков дисциплин (см. рис. 1.1). Будем рассматри-
вать только дисциплины федерального компонента.
3.2.
ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
К блоку естественнонаучных дисциплин относятся:
математика, физика, химия, информатика, биология.
Общая естественнонаучная основа этих дисциплин оче-
видна и непосредственным образом отражена в ГОСе. На-
пример, если рассматривать обобщенно, то действуюпщй
ГОС требует дать студентам в курсах физики, химии и
биологии представления о Вселенной в целом, об ее эво-
люции; о фундаментальном единстве естественных наук;
о дискретности и непрерывности; о соотношении поряд-
ка и беспорядка в природе; о динамических и статисти-
ческих закономерностях; о вероятности как объективной
44 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ « <-л,»и««ь«огя»
характеристике природных систем; о принципах симмет-
рии и законах сохранения; о соотношении эмпирического
(опытного) и теоретического в познании и т. д. По каждой
из перечисленных в ГОСе дисциплин дается также более
конкретный перечень специфических законов природы, с
которыми должны быть ознакомлены студенты. У дисци-
плин различных блоков (см. рис. 1.1) обнаруживается
общность многих законов и моделей, используемых по ха-
рактерному для каждой дисциплины назначению. Напри-
мер, в физике и химии рассматриваются модели атомов,
молекул и более сложных структур; законы молекуляр-
ной физики, термодинамики, активационные процессы,
элементы квантовой физики и т. д. Органически связаны
между собой химия и биология.
Естественнонаучная общность физики, химии и био-
логии объясняется тем, что все они с различных сторон
описывают один и тот же «объект* — природу. Принци-
пиальные различия между перечисленными дисциплина
ми состоят лишь в том, что каждая из них описывает
природу со своих позиций или «свою» составляющую при
роды. Это наглядно представлено на рис. 2.2 и 2.3, и опи
сано в п. 2.3.
Для математики и информатики ситуация не столь
очевидна. Однако и эти дисциплины по своему происхо-
ждению, сути и результатам относятся к естественнона-
учным. Математика возникла как прикладная наука, не-
посредственно связанная с окружающей природой и с раз-
нообразными видами деятельности человека. Например,
в первой известной математической энциклопедии, «из-
данной» 4000 лет назад в Вавилоне в виде 44 глиняных
табличек, содержатся только практические задачи (по
земледелию, орошению, торговле и т. п.). В более позд-
ние времена математика превратилась в весьма разветв-
ленную систему крайне абстрактных теорий. Даже сами
математики долгое время были убеждены в самодоста-
точности своей науки и полной независимости ее разви-
тия от объективной реальности. Наиболее ярко это убе-
ждение проявилось в абсолютизации аксиоматического
подхода при формализованном построении логически
Часть 1 ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ 45
замкнутых математических теорий. В этих теориях сна-
чала формулируют ограниченное число основных поло-
жений (аксиом), а затем путем строгих математических
или логических выводов получают остальное содержа-
ние данной теории.
Однако в 30-40-е гт. XX столетия была доказана не-
достаточность аксиоматического метода (теоремы К. Гё-
деля). Согласно теоремам К. Гёделя во всякой формализо-
ванной математической системе обнаруживаются утвер-
ждения. истинность которых нельзя ни доказать, ни
опровергнуть нм основе тех аксиом, которые выбраны для
логически непротиворечивого построения данной теории.
Остается путь использования иных, не связанных с осно-
вополагающими аксиомами, истин. Это могут быть и ис-
тины, полученные эмпирическим путем.
Математика связана с познанием природы. Многие
ее теории оказываются адекватными моделям, исполь
зуемым при описании природных процессов. Например,
движение небесных тел описывается теорией, в которой
используется геометрия конических сечений (окружно-
сти, эллипса, параболы). Именно эта математическая
теория оказалась адекватной тем физическим явлени-
ям, которые описываются небесной механикой. Таких
примеров много. Вот почему математику можноотнести
к фундаментальным наукам, которые существенно облег-
чают познание окружающего нас мира. Она оказывается
крайне абстрактным, но весьма полезным отражением
реальности. Часто математики «рисуют» правильный фор-
мальный образ того, что еще никем не наблюдалось. На-
пример, один тип дифференциальных уравнений оказал-
ся точным абстрактным портретом электромагнитных
волн, распространяющихся в свободном пространстве, что
обнаружилось лишь после открытия и эксперименталь-
ных исследований этих волн. Возможность «забегания»
математиков вперед в познании реальности связана, ве-
роятно, с тем, что мозг человека есть часть этой реально-
сти и функционирует по ее законам. Поэтому логически
безупречные абстрактные построения математиков не мо-
гут полностью выходить за рамки реальности.
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
Ч«-т» 1 ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ 47
46 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Влгйеииг • гочыиыихп»
Аналогичные рассуждения применимы и к информа-
тике. Следует учитывать также, что любые теории, ис-
пользуемые в информатике, в конечном итоге оперируют
понятием «информация», которое всегда отражает реаль-
ность. Сверх того, информатика имеет инструментальную
базу, создаваемую и функционирующую на основе фун-
даментальных законов природы. Например, технология
интегральной микросхемы (ИМС) включает сотни тех-
нологических стадий, опирающихся главным образом
на законы физики и химии. Функционирование элемен-
тов ИМС, а значит и центрального процессора ЭВМ, оп-
ределяется законами квантовой физики, электродина-
мики, статистической физики. В природе информацион-
ные процессы существовали всегда, а примерно 3,8 млрд
лет назад, когда на Земле появилась жизнь, возникли и
стали совершенствоваться сложные информационные
системы: генетическая, нервная, гормональная, функ-
ционирующие на основе фундаментальных законов при-
роды. Таким образом, информатика несомненно имеет
общую естественнонаучную основу с остальными дисци-
плинами рассматриваемого блока (см. рис. 1.1). Кроме
того, информатика, как и математика, делает процесс
познания природы строгим и все более динамичным.
Со своей стороны, природа «подсказывает» информати-
ке (и особенно в ее наноэлектронном варианте) пути даль
нейшего развития.
Итак, естественнонаучные основы и фундаментальная
общность дисциплин естественнонаучного блока очевидны.
3.3.
ОБЩЕПРОФЕССИОНАЛЬНЫЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
Общепрофессиональных дисциплин более двенадца
ти. Из них примерно девять полностью базируются на
естественнонаучных дисциплинах: остальные — час
тично. Рассмотрим подробно только дисциплины феде-
рального компонента учебного плана. Будем обращать
внимание лишь неявные связи с фундаментальными дис-
циплинами.
Дисциплина «Квантовая механика» является разде
лом физики, в котором выделены вопросы, имеющие осо-
бую значимость для специалистов по наноэлектронике.
Дисциплина «Физика конденсированных сред» охва-
тывает специфическую область применения квантовой
механики к твердому телу и описывает свойства твер
дых тел, используемых в нанозлектронике. В физике
конденсированных сред широко представлены также ме-
тоды термодинамики, статистической физики и электро-
динамики.
Дисциплина «Квантовая и оптическая электроника»
построена на законах квантовой физики и широко ис-
пользует многие разделы физики конденсированных сред.
Дисциплина «Физико химия наноструктурирован
ных материалов» непосредственно опирается на химию,
физическую химию, физику конденсированных сред, тер
модинамику поверхности, физику и химию фазовых пе
реходов. Эта дисциплина является непосредственным
приложением уже рассмотренных дисциплин к описанию
наноструктур, процессов их самоорганизации и другим
прикладным вопросам нанотехнологии.
Дисциплина «Электротехника и электроника» все
цело базируется на разделе физики «Классическая мак
роскопическая электродинамика». В курсе физики изу-
чают основы и физическое содержание электродинамики,
ее связь с другими разделами физики и с техникой, а в
электротехнике элект^юдинамика используется для раз-
работки методов расчета электрических и магнитных по-
лей в различных электротехнических устройствах. При
разработке частных методов расчета в электротехнике
применяют основные законы макроскопической электро-
динамики (выраженные уравнениями Максвелла) и их
следствия (теорема Гаусса, уравнение Пуассона, закон
электромагнитной индукции Фарадея, уравнения Кирх-
гофа и т. д.). Методы расчета усилителей и генераторов
гармонических сигналов в значительной степени основа-
ны на физической теории колебаний. Использование того
или иного раздела фундаментальной науки при построении
соответствующей общепрофессиональной дисциплины —
48 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. В—Опмг е а»«1>а«н<огп>
весьма распространенный подход в техническом образо-
вании. Такой подход непосредственным образом отража-
ет фундаментальные основы общепрофессионал ьны х дис-
циплин.
Дисциплина •Экспериментальные методы исследова-
ния и метрология» построена на основе использования
физических принципов измерений геометрических, элек-
трических, оптических, структурных и других харак-
теристик макро , микро- и нанообъектов. Методы чис-
ленной обработки результатов исследований основаны на
математической теории случайных процессов.
Отметим также, что метрология зародилась и перво-
начально развивалась в недрах физики, а затем распро-
странилась на другие науки и технику.
Дисциплина •Основы технологии материалов» пред
ставляет собой прикладную версию той части физики
твердого тела, которая теоретически •обслуживает»
нанотехнологию. Связи «состав-структура-свойства»,
которые вскрываются в физике твердого тела, позволяют
разрабатывать оптимальные технологические процессы,
используемые для получения материалов с заданными
эксплуатационными характеристиками. Связь рассматри-
ваемой дисциплины с естественными науками заключа-
ется в том, что сам технологический процесс всегда пред
ставляет собой сочетание химических и (или) физических
процессов.'
Дисциплина «Безопасность жизнедеятельности»
(БЖД) рассматривает различные процессы в системе
• человек среда обитания». Это одна из сложнейших сис-
тем, самоорганизующихся и саморазвивающихся по за-
конам природы.
Законы одинаковы во всех частях Вселенной и на всех
этапах ее долгой эволюции. Указанный факт установлен
фундаментальными науками и лег в основу одной из кон-
1 Технологический процесс — это совокупность механических, фи-
зических и химических процессов — операций, изменяющих форму,
размеры деталей, их свойства, внешний вил. (Политехнический ело
парь, 3 е изд./Под рад. А. Ю. Италийского. М.: Советская энциклопе-
дия, 1989. 6&6 с.).
Часть) ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ 49
цепций' современного естествознания — концепции о
единстве законов, управляющих всеми процессами в этом
мире. Самоорганизация и саморазвитие любых сложных
систем также подчиняется единым законам. Самоорга-
низация сложных систем обеспечивается проявлением в
системе положительных и отрицательных обратных свя-
зей. Первые выводят систему из состояния равновесия, а
вторые — приближают к нему. Эти же взаимосвязи ле-
жат в основе многих естественных процессов в системе
«человек среда обитания». Следовательно, если не учи-
тывать правовые, нормативно-технические и организа-
ционные вопросы, то в остальном и дисциплина ВЖД
основана на фундаментальных науках.
Дисциплина «Инженерная и компьютерная графика»
также базируется на дисциплинах общематематическо
го и естественнонаучного блока — на математике и ин
форматике.
Две оставшиеся дисциплины общепрофессионального
блока «Организация и управление производством, иннова-
тика» и «Стандартизация и сертификация» с дисциплина-
ми естественнонаучного блока связаны лишь опосредован-
но, так как базируются главным образом на организацион-
ных, административных и юридических основаниях.
3.4.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Специальных дисциплин по специальности «Нанотех-
нология в электронике» семь. Они четко разделяются на
три группы.
К первой группе относятся пять дисциплин, в основе
которых лежит физика: «Физика полупроводников»,
«Физика наноразмерных систем», «Материалы и мето
ды нанотехнологии», «Элементы и приборы нанозлектро
ники», «Методы диагностики и анализа микро и наноси-
стем». Ко второй группе относится одна дисциплина —
1 Концепция — основополагающая идея, позволяющая осмыслить с
единых позиций широкий круг вопросов, относящихся к одной, не
скольким или даже всем областям знаний; при ведем мн я выше концеп-
ция объединяет все области знаний.
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N
50 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ ВшЛгнис • спгцмлммгт»
* Компьютерное моделирование, расчет и проектирова-
ние наносистем». В основе этой дисциплины лежит фи-
зика (физические модели) и информационные техноло
гии. Наконец, третья группа дисциплин представлена
также одной дисциплиной — е Биомедицине кая нанотех-
нология». Она основана на биологии.
Далее идут дисциплины специализаций. Эти дисци-
плины также основаны на фундаментальных законах
природы.
В области любой техники творцом новою является ин-
женер. Эту роль инженер выполняет через проектирова-
ние и воплощение проектов в реальность. Поэтому многие
специальные курсы явно или опосредованно содержат ин-
формацию, необходимую для освоения методов проекти-
рования. Для разработчиков нового знание фундаменталь-
ных основ функционирования проектируемых объектов и
процессов приобретает непосредственную профессионала
ную значимость. Инженер — творец нового — в отличие от
мифического Творца не всемогущ. В своей творческой дея
тельности инженер должен неукоснительно подчинять-
ся фундаментальным правилам «запрета». Этими пра
вилами являются законы природы. Игнорирование хотя
бы одного из этих законов приводит к неосуществимости
проекта. Например, не удалось осуществить ни один из
многих тысяч проектов вечного двигателя 1-го и 2-го рода.
Их авторы действовали вопреки двум правилам «запрета»:
«Вечный двигатель первою рода невозможен», «Вечный
двигатель второго рода невозможен». Первый запрет свя-
зан с первым началом термодинамики, т. е. с законом со-
хранения энергии, а второй — со вторым началом термо-
динамики. Следовательно, приступая к проектированию,
необходимо выяснить, не противоречит ли задуманное ка-
кому-либо из законов природы. В этом может преуспеть
только специалист, знающий эти законы.
Кроме того, проектировщик, создавая принципиально
новое, т. е. то, чего не было в технике раньше, создает прак
•гически новую «популяцию» искусственной природы. Вся-
кая популяция в естественной и искусственной природе име-
ет громадное число жизненно важных для нее связей с ок
Чист, I ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ 51
ружающим. Эти связи должны быть оптимизированы, ина-
че результат проектирования не приобретет необходимой
конкурентоспособности (по техническим, экономическим
или другим характеристикам) и будет вытеснен другими
техническими новинками. Помимо этого, объекты совре-
менного проектирования имеют, как правило, достаточно
сложную структуру и многочисленные внутренние взаимо-
связи. Эти взаимосвязи инженер должен в полном объеме
учитывать в процессе проектирования. Исчерпывающий
учет внешних и внутренних вешимое вязей проектируемого
объекта по силам лишь специалисту, обладающему доста-
точно развитым системным мышлением. Системное мыш-
ление наиболее эффективно формируют фундаментальные
науки. Эго связано с тем, что именно они имеют дело со слож-
нейшими системами, включая ноосферу, галактики и всю
Вселенную. Поэтому знание фундаментальных дисциплин
является особенно важным для инженеров — создателей
принципиально нового в технике.
Наконец, проектируя и изобретая, инженер должен
проявлять высокий уровень творческого мышления. Но
именно фундаментальные науки, раскрывая сокровенные
тайны природы в микро-, макро- и мегамирах, выработа-
ли самый широкий арсенал методов творческого мышле-
ния . Поэтому и в развитии творческого потенциала инже-
нера-новатора знание фундаментальных наук имеет пря-
мую профессиональную значимость.
3.5.
ГУМАНИТАРНЫЕ
И СОЦИАЛЬНО ЭКОНОМИЧЕСКИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
Гуманитарные и социально-экономические дисципли-
ны входят в 1 й блок дисциплин (см. рис. 1.1) и обычно
читаются на первых двух курсах. Часто в сознании сту-
дента эти дисциплины резко отделяются от специальных,
общепрофессиональных и даже естественнонаучных дис-
циплин. В основе этого лежат те же причины, которые
привели к размежеванию между «лириками и физиками»
и всоннкновепиютак называемой проблемы «двух культур».
52 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ fl**.» « гл»«ил^ь»«гл1»
Однако острота этой проблемы со временем меняется.
В античной науке проблема двух культур практически
отсутствовала, к середине XX в. крайне обострилась, а в
настоящее время постепенно ослабевает. На ранних эта-
пах развития науки исследования различных аспектов
проявлений природы были объединены и проводились од-
ними и теми же людьми. Постепенно наука дифференци
ровалась, распалась на множество направлений, концен
трировавшихся вокруг двух обширных сфер познания —
естественнонаучной и социогу мани тарной.
В естественных науках объектом изучения является
неживая природа и биологические аспекты живой приро-
ды. Социогуманитарные науки изучают человека и соз-
данные им системы (языки, социальные системы, эконо-
мика, наука, право, искусство, религия и т. д.). Однако
в наше время все отчетливее осознается общность всего
в природе. Все имеет единую первичную материальную
основу, подчиняющуюся одним и тем же фундаменталь
ным законам природы, изменяется в рамках общего эво
люционного процесса. Все чаще методы исследования,
созданные в естественных науках, используются в со
циогуманитарных областях. Современная научная кар
тина мира становится единой. Она включает достиже-
ния не только естественных, но и социогуманитарных
наук. Все явственнее дает себя знать взаимное проникно-
вение (конвергенция) естественнонаучного и гуманитар-
ного знания. Все большую роль гуманитарные науки иг
рают в формировании у специалиста понимания своей
ответственности за устойчивое развитие человечест
ва на Земле, за недопущение глобальных техногенных ка
тастроф.
Инте|-рация гуманитарных и естественнонаучных зна-
ний лежит в основе подготовки широкообразованных спе-
циалистов.
Федеральный компонент учебного плана специально
сти «Нанотехнология в электронике» содержит 11 социо-
гуманитарных дисциплин. Четыре из них непосредствен-
ным образом связаны с современным естествознанием, с
общими фундаментальными законами природы. К таким
Честь I ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ 53
дисциплинам относятся «Психология», «Социология»,
• Экономика» и «Философия».
Психология описывает личностные аспекты рацио
нального (сознательного)и иррационального (интуитив
ного) поведения человека в социальном окружении. Од-
нако человек — это материальная система, возникшая в
процессе эволюции Вселенной. Особенность указанной
системы в том, что посредством нее материя праявлл
ет свою способность к самопознанию. В процессе самопо
знания этой системы, т. е. человека, возникла психоло
гия. Поэтому, строго говоря, психология такая же естест-
венная наука, как и физика, химия, биология. В отличие
от перечисленных наук, психология изучает гораздо бо-
лее сложную систему и такие процессы, описание кото
рых не поддается пока строгому математическому моде-
лированию. Поэтому в психологии еще не разработаны
точные количественные методы исследования.
Социология описывает еще более сложную матери-
альную систему, состоящую из громадного количества
отдельных личностей с необозримо большим количест
вом не определяемых строго взаимосвязей. Поэтому стро
гие математические теории в социологии также отсутст-
вуют. Однако уже имеются обоснованные макромодели
некоторых социальных процессов и разрабатываются ма-
тематические методы их анализа. Сближение социоло-
гии с естественными науками становится все более явст-
венным.
Экономика имеет дело со сложнейшей материальной
системой, включающей все сферы производства, переме
щения и распределения товаров и услуг. В этой системе
процессы «переноса» финансов, товаров и рабочей силы,
процессы самоорганизации отдельных подсистем в мик-
ро и макроэкономике весьма напоминают аналогичные
процессы в неживой природе. Однако, в отличие от не-
живой природы, в экономике могут возникат ь дополни-
тельные движущие силы, искажающие естественные ры-
ночные процессы. Сюда относятся политические реше-
ния, внешние силовые воздействия (например, военные)
и т. д. Несмотря на сложность экономических систем, уже
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
54 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ ВвгЛ-ниг • глл|мл»ност»
существуют и эффективно используются в экономических
прогнозах достаточно строгие математические модели.
Философия связана с осмыслением общих методов по
знания неживой, живой и мыслящей природы. Этим она
приобщает себя к естественным наукам. Особенно важна
философия для развития специалиста с широким взглядом
на окружающий мир, на свое, место и свою роль в этом мире.
Еще четыре дисциплины рассматриваемого блока:
«Политология», «История», «Правоведение» и «Культу-
рология» , имеют связь с современным естествознанием
через социологию, отдельные частные аспекты которой
они развивают в специфических направлениях.
Наконец, три оставшиеся дисциплины: «Иностран
ный язык», «Русский язык и культура речи», «Физике
ская культура», с естествознанием связаны лишь кос
венно. Для языка эта связь оказывается значимой, напри-
мер, при создании искусственных синтезаторов речи, для
физической культуры — при разработке теории движений
человека в различных видах спорта и т. д.
З.в.
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
К ПОДГОТОВКЕ
СОВРЕМЕННОГО ИНЖЕНЕРА
При обучении в вузе важно иметь в виду, что совре-
менный рынок труда предъявляет все более высокие тре-
бования к профессиональной мобильности специалиста.
Например, по прогнозам выпускник технического вуза
США к 2020 г. будет вынужден на протяжении профес-
сиональной карьеры изменять род своей деятельности до
5 раз. Очевидно, что всякая вынужденная перемена рода
профессиональной деятельности весьма трудная про-
блема для узкого специалиста. Только для человека, обла-
дающею глубокими фундаментальными знаниями, освое-
ние конкретной специфики новой инженерной профессии
не составит большого труда. Это объясняется общностью
фундаментальных основ практически всех технических
специальностей. В процессе обучения по специальности
«Нанотехнология в электронике» студент получит весь-
Чагт, I ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ 55
ма глубокие знания в области фундаментальных наук и
приобретет высокую профессиональную мобильность.
В течение пяти лет студент вуза вынужден изучать бо-
лее полусотни различных курсов. Реально никто не спо-
собен сохранить в своей памяти содержание такого числа
дисциплин, но и не в этом цель об|>азования. Это хорошо
понимают- как сами педагоги, так и специалисты, эффек-
тивно использовавшие плоды образования в своей профес-
сиональной деятельности и в жизни. Например, один из
крупнейших ученых прошлого столетия Макс Планк, за-
ложивший основы квантовой физики, утверждал: «Обра-
зование — это то, что остается, когда все изучавшееся за-
будется». Остается же (должно оставаться!) развитое ин-
женерное мышление, позволяющее адаптироваться ко
всем переменам в науке и технике и эффективно участво-
вать в научно-техническом прогрессе.
Понятие «профессиональное мышление» многогранно.
Однако его основные характерные признаки можно свести
к трем: критичность, творчество, системность. Высокая
критичность помогает раньше конкурентов вскрыть по-
требность в новации, инженерное творчество позволя
ет ее своевременно предложить, а системность мышле
ния обеспечивает учет всех значимых внутренних и
внешних взаимосвязей предложенного, что гарантирует
надежность и конкурентоспособность новой разработки.
Крупнейший американский инженер-изобретатель То-
мас Эдисон говорил: «Величайшая задача цивилизации —
научить человека мыслить». Кратчайший путь решения
этой задачи — познакомить студента с наиболее эффек-
тивными методами мыслительной деятельности челове-
ка, опирающимися на фундаментальные основы тех учеб-
ных курсов, которые он изучает в вузе.
Именно приобретая фундаментальные знания, мож-
но наиболее результативно развить мышление и интег-
рировать в своем сознании естественнонаучные основы дис-
циплин инженерной специальности. А это как раз та база,
на которой формируется широкообразованная личность
и высококвалифицированный специалист, способный не
только поспевать за научно-техническим прогрессом, но
56 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. ВягЛпчи , тцшити
и участвовать в его развитии, а также легко изменять при
необходимости сферу своей профессиональной деятельно-
сти. Именно поэтому в последнее время увеличивается
число фирм, предпочитающих принимать на работу спе-
циалистов с широким фундаментальным образованием.
Следует также иметь в виду, что в современных услови-
ях успешность специалиста обеспечивается в конечном ито-
ге не только его квалификацией, удостоверенной дипломом,
но и особым качеством личности, которое называют компе-
тентностью. Компетентность — это ярко выраженная спо-
собность специалиста проявлять знания, умения и навыки
в своей щюфессиональной деятельности (в том числе при
решении принципиально новых задач, к решению кото-
рых вуз не готовит). В вузе студент имеет дело с десятками
учебных дисциплин, каждая из которых содержит приме-
ры решений творчески ориентированными специалистами
и таких проблем, которые ранее считались неразрешимы-
ми. Подобные примеры студент должен использовать для
приобретения собственных профессиональных знаний.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Какой документ определяет квалификационную характеристн
ку, сроки, последовательиость и содержание подготовки дипло-
мированных специалистов? Охарактеризуйте этот документ.
2. Какие дисциплины относятся к блоку «Общие математические
и естественнонаучные дисциплины»? Охарактеризуйте есте-
ственнонаучную основу каждой из них.
3. Как связаны общепрофессиоиальные дисциплины с дисцип
ливами естественнонаучного блока? Приведите примеры.
4. Как связаны специальные дисциплины с дисциплинами есте-
ственнонаучного блока? Приведите примеры.
5. Какую роль в творческой деятельности инженера играет зна-
ние фундаментальных законов природы?
6. Как связаны гуманитарные и социально-экономическне дис-
циплины с фундаментальными науками? Приведите примеры.
7. Какие процессы отражают диффе-реициацию и интеграцию раз-
личных наук?
8. Что такое «проблема двух культур», как изменялась со време-
нем ее острота?
9. Какова связь профессиональной мобильности специалистов и
фувдамеитализацин инженерного образования?
10. Какие основные признаки характеризуют профессиональное
инженерное мышление?
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
ЭТАПЫ И ОСНОВЫ
РАЗВИТИЯ
ЭЛЕКТРОНИКИ
Н11оа1ш11шввв>1м11ш1а|11ацмиш1вн1<1>1нам11яш111ан1ши1111ш1
и опубликовал на сайте :PRESSI(HERSON |
1тя!ппт1иашг1в11г»п1111кпв>«11мгн>п1пгжтт111я«
•4-
ЭЛЕМЕНТЫ
КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ
4.1.
СВЯЗЬ ЭЛЕКТРОНИКИ
И КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ
Электроника — раздел науки и техники, в котором ис
следуются электронные явления в веществе, и на осно
ее результатов этих исследований разрабатываются
методы создания электронных приборов, электронных
схем и систем.
Электронные схемы и системы лежат в основе инстру-
ментальной базы информатики, автоматики, телемехани-
ки, мехатроники, вычислительной техники и т. д. Уровень
развития электроники определяет облик современной ци-
вилизации.
В своем развитии электроника прошла три этапа:
• ламповая;
• полупроводниковая;
• интегральная полупроводниковая электроника (мик-
роэлектроника ).
Наноэлектроника — это современный, четвертый
этап развития электроники.
Каждый из видов электроники зародился в недрах
квантовой физики.
Для наноэлектроники важны также достижения био-
логии. Однако и биокомпьютеры вбольшинствесноем свя-
заны с квантовыми эффектами. Поэтому учебный план по
специальности «Нанотехнология в электронике» содер-
жит много дисциплин, являющихся разделами квантовой
физики.
Курс «Введение в специальность» для данной специ-
альности может быть полноценно изложен лишь на осно-
Ч«а» 2 ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ 59
ве определенных сведений из квантовой физики. Некото-
рые из них содержатся в курсах физики и химии средней
школы. Эти сведения (с некоторыми добавлениями) изла-
гаются в настоящей главе.
4.2.
ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ
ЭЛЕКТРОНИКИ
Во времена до электронного периода в вычислитель
ной технике использовались механические устройства —
счеты, арифмометры и т. д. Механическая техника обла-
дала чрезвычайно малым быстродействием. Например,
прибавление (вычитание) единички на канцелярских сче-
тах занимает примерно секунду. Скорость распростране-
ния электромагнитных сигналов, определяющая предель-
ный уровень быстродействия электронных вычислитель
них систем, как минимум в десятки миллиардов раз выше.
Это одна из основных причин необходимости перехода от
механических вычислительных устройств к электронным.
В основу первого поколения электроники был поло-
жен эффект эмиссии электронов из нагретого катода и
управления потоком этих электронов в вакууме с помо-
щью электрического поля. Термоэлектронная эмиссия
была открыта американским изобретателем Т. А. Эди-
соном (1889) и исследована английским физиком О. В. Ри-
чардсоном (Нобелевская премия, 1928). На основе описан-
ного эффекта был создан активный схемный элемент —
радиолампа, позволяющая выпрямлять и усиливать элек-
трический сигнал, а также генерировать электромагнит-
ные колебания.
Радиолампа — это стеклянная вакуумная колба (лам-
па) с двумя (катод, анод) или большим числом электродов
(см. рис. 4.1). Катод при нагреве создает вблизи своей по-
верхности некоторую концентрацию электронов. «Тяну-
щее» поле положительно заряженного анода формирует
из этих электронов анодный ток. Если на анод подать от-
рицательный потенциал, то анодный ток практически бу-
дет равен нулю. Таким образом, диод может служить вы-
прямителем переменного тока.
GO НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Я«г<к«ц. « гш-чиал.яогкъ
Рве. 4.1
Схематические представление
трехзлектродной лампы
(триод)
В триоде имеется еще один
электрод — сетка. С помощью
электрического потенциала,
поданного на сетку, можно
управлять анодным током,
например, усиливать его. Это
позволяет использовать три-
од в электронных схемах в
качестве усилителя и ге-
нератора сигналов. Поэтому
диод и триод называют ак-
тивными схемными элемен-
тами. Резисторы (электриче-
ское сопротивление), кон-
денсаторы (электроемкость),
катушки индуктивности относят к пассивным элементам.
Электронные схемы первого поколения состояли из
дискретных (отдельных) активных и пассивных схемных
элементов. Ламповая дискретная электроника успешно
использовалась для создания не очень сложных электрон-
ных схем. Однако запросы вычислительной и военной тех-
ники 50-х гт. XX в. требовали создания сложнейших элек-
тронных систем, содержащих многие десятки тысяч схем-
ных элементов. Перед электроникой возникли проблемы:
• многократно повысить надежность электронных систем;
• существенно уменьшить их габариты, вес и энергопо-
требление;
• значительно снизить себестоимость производства;
увеличить быстродействие.
Ламповая электроника не позволяла кардинально ре
шить ни одну из перечисленных проблем.
Во-первых, она основывалась на использовании дис-
кретных элементов, выполняемых из различных материа-
лов, по несовместимым технологиям. В этих условиях зна-
чительно увеличить производительность и снизить себе-
стоимость схемных элементов было невозможно.
Во-вторых, электронные схемы получались из дискрет-
ных элементов путем их соединения, например, методом
пайки проводников, соединяющих отдельные элементы.
Часе» г ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ 61
Межсоединения являлись самой ненадежной частью схе-
мы, а их создание не поддавалось полной автоматизации.
В сложных электронных системах оказывалось так мно-
го межсоединений, что возникшую тогда в электронике
ситуацию назвали л тиранией межсоединений». В этих
условиях существенно повысить надежность сложных
электронных систем было невозможно. Например, первая
(1948 г.) ламповая ЭВМ — ENIAC (Electronic Numerical In-
tegrator and Computer), содержавшая примерно 20 000 ра-
диоламп и еще больше межсоединений, могла беспере-
бойно работать всего несколько часов. Для сравнения
вспомним, что современные интегральные микросхемы,
содержащие до миллиарда элементов, обеспечивают ком-
пьютеру бесперебойную работу- на протяжении ряда лет.
В-третьих, принцип действия радиоламп таков, что
значительно уменьшить их габариты, вес и энергопотреб-
ление практически невозможно. Поэтому, например, пер-
вая ламповая ЭВМ ENIAC занимала площадь 200 м2, по-
требляла около 200 кВт энергии, хотя по своим возмож-
ностям значительно уступала современным персональным
компьютерам. Описанный недостаток ламповой электро-
ники не позволял, в частности, создавать эффективную
бортовую электронную аппаратуру, в чем остро нуждалась
военная техника.
Итак, к пятидесятым годам прошлого столетия
ламповая электроника полностью исчерпала возможно
спи удовлетворять запросы потребителей электрон
ной техники. Возникла принципиально иная электро
ника, основанная на особых свойствах полупроводнико-
вых структур.
Полупроводниковая структура представляет собой
границу раздела между областями полупроводника с раз-
личными свойствами. Если эта граница разделяет слои
полупроводника с электронным и дырочным типом элек
тропроводности, то она называется р п переходом: гра
ница раздела слоев различного состава называется гете
ропереходом. Используются также структуры, включаю-
щие слои металла, диэлектрика и полупроводника. Это так
называемые МДП или МОП-структуры. В МОП-структуре
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
?«<«* г ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ
63
62 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ ВыЛгкие в гплц«имосл1.
диэлектриком обычно служит окисел проводника, напри-
мер диоксид кремния (SiO2).
Начало исследованиям полупроводниковых структур
было положено немецким физиком К. Ф. Брауном, от-
крывшим в 1874 г. эффект односторонней проводимости
контакта металл полупроводник. Электрические харак-
теристики подобных структур были нестабильными и не-
воспроизводимыми, поэтому эти структуры не могли ис-
пользоваться для создания электронных приборов. Од-
нако длительные исследования, выполненные многими
учеными, позволили к середине XX в. преодолеть этот не-
достаток. В 1948 г. американские физики Дж. Бардин и
У. Браттейн создали стабильно работающий кристалли-
ческий триод (Нобелевская премия, 1956 г.). Это был так
называемый точечный транзистор. Современную конст-
рукцию и теорию транзистора разработал американский
физик У. Шокли в 1951 г.
Ламповые диод и триод были заменены кристалличе-
скими диодом и транзистором. Возникла электроника,
основанная на использовании дискретных полупроводни-
ковых прибо)к>в. Надежность электронных схем и систем
значительно увеличилась. Существенно уменьшились их
габариты, вес и энергопотребление. Однако «тирания меж-
соединений» сохранилась. Себестоимость производства так-
же осталась высокой. Поэтому электроника, основанная на
дискретных полупроводниковых приборах, просущество-
вала недолго. После 1960 г. ее сменила интегральная полу-
проводниковая электроника (микроэлектроника). Начал-
ся третий этап развития электроники. Основным элемен-
том сложных электронных систем стала интегральная
микросхема (ИМС).
Интегральная микросхема — это микроминиатюрный
функциональный узел электронной аппаратуры, в кото
ром активные, пассивные и соединительные элементы из
готавливаюгпея в едином технологическом цикле на поверх
ности или в объеме материала и имеют общую оболочку.
Изготовление всех элементов ИМС в едином технологи-
ческом цикле и в одном материале позволяет использовать
вместо последовательной (индивидуальной для каждого эле-
мента) параллельную (групповую), весьма производитель-
ную технологию. Себестоимость производства сложных
электронных систем в расчете на один схемный элемент
резко уменьшилась. Возможность перехода на групповую
технологию связана с тем, что полу проводниковаяструк
тура обладает практически всеми необходимыми схемны
ми свойствами. Так, отдельный р-п-переход может исполь-
зоваться как резистор, конденсатор, диод, переключатель
сигнала, стабилизатор напряжения, фоточувствитель
ный элемент, светодиод, полупроводниковый лазер, а в со
четании с другими р п переходами - как транзистор,
тиристор и т.д. Следовательно, формируя на полупровод-
никовом кристалле в одном технологическом цикле мно-
жество р n-переходов, можно создавать сложную ИМС.
Развитие твердотельной интегральной электроники
шло по пути уменьшения габаритов, увеличения быстро-
действия, объема памяти и надежности электронных сис-
тем. Именно на этом пути были разработаны методы ми-
ниатюризации элементов ИМС, открывшие реальные воз-
можности перехода к наноэлектронике (см. п. 6.8).
Возникновение и развитие полупроводниковой мик
ра и наноэлектроники стало возможным благодаря фун-
даментальным достижениям в области современной
квантовой теории твердого тела. Чтобы разобраться в
принципе действия полупроводниковых приборов. ИМС
и многих наноэлектронных устройств, необходимо изу-
чить основы квантовой механики. Поэтому следующие
параграфы пособия посвящены повторению и некоторо-
му расширению элементарных представлений о кванто-
вой природе окружающего нас мира, полученных из кур-
са физики средней школы.
4.3.
ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ
Квантовая механика — раздел теоретической физи-
ки, изучающий законы движения микрочастиц и их сис
тем. В отличие от классической, квантовая механика учи-
тывает двойственную корпускулярно-волновую природу
64 НАНОТЕХ НОЛОГНЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. ВагЗгпиг « «М-Цколапогл»
частиц и кваитуемость, т. е. скачкообразное, дискретное
изменение их многих характеристик.
Квантовая механика — один из наиболее плодотвор-
ных в прикладном отношении разделов физики. На ней
базируются многие современные отрасли техники. Сюда
относятся микро-, опто- и паноэлектроника, лазерная, плаз-
менная и элионная технология, солнечная, атомная и тер-
моядерная энергетика и т. д. Это объясняется тем, что за-
коны квантовой механики в той или иной степени опреде-
ляют свойства и поведение материальных структур от
физического вакуума до макротел (см. схему на рис. 2.2).
В мире элементарных частиц, атомов и наноструктур за-
коны квантовой механики играют решающую роль. Они
определяют также электрические, оптические и магнит-
ные свойства кристаллов.
В школьной программе по физике и химии кванто-
вые представления связываются с дискретностью из-
лучения и поглощения света, с фотоэффектом, с кор-
пускулярно-волновым дуализмом частиц, с соотноше-
нием неопределенностей Гейзенберга, со строением
атома, с атомными спектрами, с принципом Паули,
со структурой электронных оболочек и валентностью
атомов, с особенностью расположения атомов хими-
ческих элементов в периодической системе Менделее-
ва, со свойствами атомного ядра и элементарных час
тиц, с физикой полупроводников и полупроводниковых
приборов.
В данном пособии мы повторим упомянутый выше
учебный материал и расширим его до объема, который не-
обходим для осознанного восприятия основных идей мик-
ро- и наноэлектроники.
Первые представления о квантовой природе микрообъ-
ектов и процессов возникли при изучении закономерно-
стей теплового излучения. Было показано, что строгая
теория теплового излучения, доказанная эксперименталь-
но во всем диапазоне длин волн, может быть построена
лишь в предположении, что свет излучается веществом
дискретно, т. е. отдельными порциями — квантами. Это
предположение называется гипотезой Планка, который
Yarn» г ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ 65
показал также, что энергия кванта излучения £ пропор-
циональна его частоте v, т. е. можно записать:
£-Av, (4.1)
где h = 6,62 10"34 Дж с — постоянная Планка.
Позднее было установлено, что постоянная Планка
связана с широким кругом физических явлений в микро-
мире, для которых существенна квантованность величин
с размерностью действия. Действие — физическая вели-
чина, имеющая размерность произведения энергии на вре-
мя и являющаяся одной из важнейших характеристик
движения систем в классической и квантовой механике.
Поэтому постоянная Планка относится к фундаменталь
ним физическим константам. За работы в области тепло-
вого излучения (1900) Планк был удостоен Нобелевской
премии (1918).
При построении теории внешнего фотоэффекта Эйн
штейн (1905) предположил, что свет не только испус-
кается и поглощается квантами, но и распространяет
ся как поток особых частиц (фотонов ), несущих на себе
дискретную порцию энергии, равную hv. На основе кван-
товых представлений о свете Эйнштейн объяснил не толь-
ко фотоэффект, но и другие физические явления, кото-
рые не поддавались описанию с точки зрения электромаг-
нитной теории света (Нобелевская премия, 1921).
Тем не менее, теоретические и экспериментальные ос-
нования электромагнитной теории столь неоспоримы, что
волновая теория света осталась непоколебимой. Она была
лишь дополнена убедительно обоснованной квантовой тео-
рией света. Было признано, что свет имеет двойствен
ную (корпускулярно волновую ) природу, а модуль импуль-
са фотона р~|р| может быть выражен через соответствую
щую длину волны
P=V <<-2)
где Х=—, a v находится для данного кванта света из фор-
мулы Планка (4.1).
В квантовой механике формулу (4.2) обычно записы-
вают в векторной форме:
и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
66 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. вамЭгми' а сллрмлымпь
р = Л*. Н-8)
|*|=^,й = Лв;1,05 10 »«Дж с.
г X 2п
Величина к, называемая волновым вектором, широ
ко используется в квантовой механике. Направление вол-
нового вектора совпадает с направлением вектора импуль-
са р фотона, т. е. волновой вектор направлен в сторону
распространения световой волны. Модуль волнового век-
тора |Л| называется волновым числом. Величина Л (так
же, как и й) называется постоянной Планка.
Итак, в начале XX в. была установлена двойственная,
корпускулярно-волновая природа частиц света фото-
нов. Де Бройль предположил (1923), что волновые свой
ства присущи не только фотонам, но и любым части
цам вещества. При этом длина волны, соответствующая
любой частице, называется волной де Бройля и определя-
ется формулой (4.2):
X = 2aA=A = 2L, (4.4)
р р пи '
где т — масса частицы, и — ее скорость.
Гипотеза о корпускулярно-волновом дуализме приоб-
рела универсальный характер и была использована 3. Шрё-
дингером для получения основного уравнения квантовой
механики — уравнения Шрёдингера (Нобелевская пре-
мия, 1933).
Восприятие корпускулярно-волнового дуализма и кван-
товых представлений об объектах и процессах в микроми-
ре оказалось столь трудным, что даже творцами кванто-
вой механики принималось нс без колебаний. Вот харак-
терное высказывание Шрёдингера: «Если мы собираемся
сохранить эти проклятые квантовые скачки, то я вообще
жалею, что имел дело с атомной теорией». Однако жизнь
показала, что именно квантовая механика позволила с
удивительной иолнотой и точностью описать происходя-
щее в микромире. Она получила разностороннее экспери-
ментальное подтверждение к широчайшее применение на
практике. В электронике, например, волновые свойства
Часта I ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ 67
частиц используются для получения схемных элементов,
имеющих наноразмеры.
Основное уравнение классической механики — второй
закон Ньютона — дает возможность получить уравне-
ние движения материальной точки, которое позволяет
установить точные значения координат этой точки
(х,у,г) в каждый момент времени t. Иными словами,
основной закон классической механики отражает детер
минированное поведение макротела.
Поведение микрочастиц носит недетерминированный,
вероятностный характер, что связано с их волновыми свой-
ствами. Поэтому уравнение Шрёдингера записано относи-
тельно функции, которая позволяет определять вероят-
ность нахождения микрочастицы в том или ином объеме
пространства в некоторый момент времени t. Эта функция
называется волновой или пси-функцией. Она обозначает-
ся греческой буквой Ч'. Квадрат модуля этой функции
Мх, у, z)|z обозначает плотность вероятности нахождения
микрочастицы в точке с координатами х, у, г в момент
времени t. Если умножить ‘Р,2 на малый элемент объе-
ма ДУ, включающий рассматриваемую точку пространст-
ва, то получим вероятность нахождения частицы в дан-
ном объеме.
Волновые свойства микрочастицы делают невозмож
ным описание ее поведения одновременным заданием точ-
ных значений координат и скоростей.
Этот факт математически описывается соотношени
ем неопределенностей Гейзенберга (1927) (Нобелевская
премия, 1932):
ДрхЛх?4; Ар,Ау$^; Ар,Лг:>1 (4.5)
где йрж, bpv, Ьр, - значения неопределенностей компонент
импульса частицы по осям х, у и г соответственно, а Ах,
Др и Az — неопределенности координат частицы в тот же
момент времени.
Соотношение неопределенностей имеет место также
для энергетических и временных переменных:
ДЕЛ1>|, (4.6)
68 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ ВдаЛкыг» слп|»«л»«ост»
где Д£ — неопределенность энергии системы в рассматри-
ваемом квантовом состоянии, Д/ — время нахождения сис-
темы в этом состоянии.
Соотношение неопределенностей позволяет осмыслить
широкий спектр явлений микромира и оценить значения
физических характеристик, относящихся к этим явлени-
ям. Соотношение неопределенностей относится к фунда-
ментальным положениям физики; оно получило всесто-
роннее экспериментальное подтверждение.
4.4.
КВАНТОВАЯ МОДЕЛЬ АТОМА
Атом можно описывать посредством двух взаимодо
полнеющих моделей: пространственной и энергетиче
ской. Пространственная модель атома отображает его
трехмерную объемную структуру и то, как в пределах
этой структуры распределены плотности вероятности
нахождения электронов атома. Совокупность распреде-
ленных вблизи ядра электронов (точнее — вероятностей
их нахождения там) называют электронным облаком.
В простейшем случае оно сферическое (например, для во-
дорода в невозбужденном состоянии), но чаще имеет слож-
ную конфигурацию. В курсе химии средней школы при
ведены условные изображения внешней формы электрон-
ного облака для электронов, находящихся в различных
квантовых состояниях. Для атома водорода уравнение
Шрёдингера позволяет получить строгое математическое
описание геометрических особенностей электронногообла
ка. Однако во всех случаях его наглядное представление
невозможно, так как распределение вероятности нахожде-
ния электрона в облаке является довольно сложным. По-
этому при описании атома часто используют упрощенную
модельатома — модель Бора(1913) (Нобелевская премия,
1922). Эта модель допускает изображение атома в виде
центрального ядра и электронов, движущихся вокруг него
по определенным орбитам.
В своей теории Бор принял за основу планетарную
модель Резерфорда, но дополнил ее двумя постулатами,
отражающими квантовую природу атома. Согласно пер-
Ч«т» г ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ 69
вому постулату, электрон в атоме может двигаться не по
любым, а лишь по особым, стационарным орбитам, не из-
лучая при этом электромагнитной энергии. Каждая орби-
та характеризуется квантовым числом л = 1, 2,.... а так-
же квантованной энергией
,. т,е* 1
згк’соЛ’ л»’ (47)
где т, и е — масса и заряд электрона; Со — электрическая
постоянная (со — 8,85 1012 Ф/м).
Согласно второму постулату Бора, переход электрона
с одной стационарной орбиты на другую сопровождается
испусканием (или поглощением) атомом кванта электро-
магнитной энергии
Av = Е,- Ек, или Пы = Е, - А'», (4.8)
где i и А - квантовые числа для соответствующих стацио-
нарных орбит; ы = 2nv — круговая частота.
Формулу (4.7) и вывод о квантованности энергии ато-
ма водорода можно получить путем решения уравнения
Шрёдингера для электрона в потенциальном кулоновском
поле ядра. Потенциальная энергия электрона U в атоме
водо1юда равна
где г — расстояние электрона от ядра.
Энергетическая модель атама водорода (см. рис. 4.2а,б)
включает представление потенциальной энергии элек
трона в атоме как функции координат (формула (4.9))
и систему энергетических уровней стационарных клан
товых состояний атома (формула (4.7)).
Из рис. 4.2a видно, что чем меньше г(чем ближе элек-
трон к ядру), тем больше по абсолютной величине потен-
циальная энергия U(r). Точке А на рис. 4.2а соответству-
ет первая стационарная боровская орбита с главным кван-
товым числом л - 1 и энергией |£|| = 13,6эВ. Радиус этой
орбиты Г| -= О,531О~10 м = 0,053 нм. Согласно квантовой
механике никаких орбит нет. Электрон движется вбли-
зи ядра, «посещая» с разной вероятностью все точки
и опубликовал на сайте 1 Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
70
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введены- а елеытльнос1нь
Часть 2 ЭТАПЫ >1 ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ
71
пространства. В точке с координатой г = г, вс)и>ятиость на
хождения электрона в невозбужденном атоме водорода
(при п = 1) максимальна.
В стационарном состоянии (n = 1) электрон может на-
ходиться бесконечно долго и самопроизвольно выйти из
этого состояния не может. Однако если ему сообщить до-
полнительную энергию, равную Е2 - Et = 10,2 эВ, то элек-
трон способен перейти в первое возбужденное состояние
(л -= 2, Ех - -3,4 эВ>. На рис. 4.26 такой переход символи-
зирует сплошная стрелка. В возбужденном состоянии атом
способен находиться в среднем в течение 10 * с, а затем са-
мопроизвольно (спонтанно) переходить в стационарное со-
стояние (пунктирная стрелка на рис. 4.20). Освобожденная
энергия преобразуется в энергию спонтанного излучения
ftv— Ег Ei - 10,2 эВ. Спонтанное излучение атома может
распространяться в любом направлении. Оно характерно
для теплового излучения тел. Воздействие внешнего фото-
на той же частоты (ftv = 10,2 эВ) на возбужденный атом спо-
собно вызвать переход электрона с верхнего энергетиче-
ского уровня на нижний. Такое излучение называется вы
нужденным. Направление, частота и фаза вынужденного
излучения совпадают с направлением, частотой и фазой
движения первичного фотона. Вынужденное излучение
лежит в основе работы квантового генератора (лазера).
Если электрону в стационарном состоянии (п = 1) со-
общить энергию Et - Е„ = 13,6 эВ, то произойдет иони-
зация атома водорода. Электрон окажется свободным.
Энергия свободного электрона не квантована, она изме
няется непрерывным образом (верхняя, заштрихован
нал часть на рис. 4.26).
4.5.
ПОНЯТИЕ О ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ЯМАХ
И БАРЬЕРАХ
Из рис. 4.2,а видно, как энергетическая модель атома
позволяет объяснить некоторые его свойства, например
механизм поглощения и испускания атомами электромаг-
нитного излучения. Аналогичным образом энергетиче-
ские модели любых квантовых систем могут плодотвор
но использоваться для анализа свойств этих систем.
Энергетический подход опирается на закон сохранения
энергии и поэтому является универсальным. Он приме-
няется во всех разделах физики. Рассмотрим его приме-
нение в классической механике.
Предположим, что некоторое тело массой т движется
без трения по поверхности, профиль которой представ-
лен на рис. 4.3 кривой Л(х). Потенциальная энергия это-
го тела равна V — mgh, где g — ускорение силы тяжести.
Так как U и Л пропорциональны друг другу, то подбо-
ром масштаба всегда можно .
совместить графики функ-
ций U(x) и Л(х), что и осуще-
ствлено на рис. 4.3. При ре-
шении задачи о движении
тела в потенциальном поле
можно использовать лишь
кривую (Дх). Подобные кри-
вые называются потенци
альными кривыми.
Участок графика вблизи
точки С называется потен
циальной ямой, а вблизи
точки D — потенциальным
Рас. 4.3
Зависимость потенциальной
энергии тела от координаты
U(x), совмещенная с профилем
поверхности hfx).
по которой тело движется
72
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ, в^гни» «стчколыигт*
г. ЭТАПЫ и основы РАЗВИТИЯ электроники
73
барьером. На рис. 4.3 представлена плоская кривая С/(х).
С помощью подобных кривых можно рассматривать од-
номерные задачи. В общем случае потенциальная энер-
гия зависит от трех координат х, у и г. Понятие о потен-
циальных ямах и барьерах остается справедливым для
двух- и трехмерных задач.
Если трение в рассматриваемой системе отсутствует,
то полная энергия Е при движении тела т (см. рис. 4.3)
сохраняется, и можно записать:
E=U^E^mgh <410>
Метод потенциальных кривых позволяет ( при задан
ных Е, U(x) и т) определить значение кинетической
энергии, скорость тела, действующую на него силу и его
ускорение в каждой точке х, а также область значений
х, в пределах которой тело может двигаться. Подобные
задачи рассматривались в курсе физики средней школы.
Для дальнейшего важно уяснить, какую роль играют
потенциальные барьеры и потенциальные ямы в поведе-
нии частиц, подчиняющихся законам квантовой механи-
ки. Тело, подчиняющееся законам классической механи
ки, способно преодолеть потенциальный барьер, если его
полная энергия превышает потенциальную энергию mghn
на «вершине» барьера (точка D). Например, если тело без
начальной скорости (и трения) начинает свое движение
под действием силы тяжести от точки А, где его полная
энергия Е, — mgh\ > mgh„,rooHO преодолеет потенциаль-
ный барьер и окажется в области значений х правее точ-
ки Х„. Если же тело начинает движение от точки В, где
его полная энергия равна Eg — mgh2 < mghm, то вправо за
точкой С оно сможет переместиться только до точки
х — х" и, не нарушая закон сохранения энергии, не смо
жет преодолеть потенциальный барьер D. Его движение
вдоль оси х будет ограничено точками х' и х". Между эти-
ми точками тело будет совершать незатухающие колеба-
ния (в отсутствии трения). Все точки в указанном интер-
вале равнодоступны для движущегося тела.
Совершенно иначе ведет себя тело, подчиняющееся за-
конам квантовой механики. Для него имеется отличная
от нуля вероятность проникнуть за барьер и при уело
вии, что полная энергия тела меньше высоты потенци-
ального барьера. Такой квантовомеханический эффект
называется туннельным. Сточки зрения классической
физики он нарушает закон сохранения энергии. При этом
«дефицит» энергии тела в точке х„ равен ЛЕ — Um — Е2.Ол-
нако в соответствии с соотношением неопределенностей
(см. формулу 4.6) такой дефицит энергии допустим в те-
чение времени At “ Л/(2ЛЕ). Если за это время частица тун-
нелирует сквозь барьер, то закон сохранения энергии не
нарушается. После туннелирования (в точке В") у части-
цы сохраняется та же энергия, что и до туннелирования
(в точке В').
Туннельный эффект в микромире' достаточно рас про
странен. Он лежит в основе действия туннельного дио
да, а радиоактивности, термоядерного синтеза легких
элементов. Используется он и в наноэлектронике.
Тело, подчиняющееся законам классической физики,
движущееся в потенциальной яме (см. рис. 4.3), имеет
непрерывный энергетический спектр, т. е. его энергия
(Е) изменяется непрерывным образом. Энергетический
спектр частицы в потенциальной яме нано и атомар
ных размеров дискретен (см. п. 4.6). Этот квантовый
эффект лежит в основе функционирования многих нано
электронных структур.
Конфигурации реальных потенциальных ям и барье
ров в микромире за висят от геометрических особенностей
тех полей, которые образуют эти ямы. Например, потен-
циальная яма для электрона, движущегося в электриче-
ском кулоновском поле ядра атома водорода, представле
на на рис. 4.2а.
4.6.
МИКРОЧАСТИЦА В ПРЯМОУГОЛЬНОЙ
ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЯМЕ
Поведение микрочастицы в потенциальной яме стро-
го описывается с помощью уравнения Шредингера. Это
уравнение является дифференциальным; для его решения
необходимо знать, как зависит потенциальная энергия
и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
74 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение« гл»щмл»|»сж*
Чогли г, ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ
75
Одномерная потенциальная яма:
а — аяергетический спектр микрочастицы в потенцявлыю* яма (при
веде к ы три энергетических уровня Е(, Ег, Е^); б— волновые функ-
ции v, для трех состояний (я 1,2, 3) микрочвстицы в потенциальной
яме (пунктир для бесконечно глубокой ямы).
Из формулы (4.11) следует, что энергетический спектр
микрочастицы в потенциальной яме дискретен и расстоя-
ние между соседними энергетическими уровнями (л и
л - 1)равно:
ДЕ„,,.1 =(2л-1)^^. (4.12)
Можно показать также, что на ширине ямы I уклады-
вается примерно целое число полуволн волны де Бройля:
(413)
Для бесконечно глубокой ямы формулы (4.11)-(4.13)
становятся точными. В таком случае волновая функция
выражается через тригонометрические функции: через
косинусы, при нечетном л (л = 1, 3, 5)
микрочастиц от координат, т. е. должна быть задана функ-
ция Щх, у, г). Здесь и далее будем предполагать, что эта
функция не зависит от времени (мик)ючастица находится в
стационарном поле). Для выяснения основных особенностей
поведения микрочастицы в потенциальной яме достаточно
рассмотреть одномерный случай (17(х)) и яму простейшей
прямоугольной формы (рис. 4.4а). Ширина ямы обозначе-
на I, глубина — U°. Ширина барьеров, ограничивающих по-
тенциальную яму, бесконечна. Глубина ямы может изме-
няться от некото;юго конечного значения до бесконечности
(когда яму можно «-читать неограниченно глубокой). Ши-
рину ямы будем варьировать от мик|ю- до макроразмеров.
Решение уравнения Шрёдингера дает возможность
определить энергетический спектр рассматриваемой мик-
рочастицы, т. е. полный набор значений ее энергии Е, и
волновую функцию v(*)> квадрат модуля которой lv(x)f
является плотностью вероятности обнаружить микрочас
тицу в точке х.
Для микрочастицы в одномерной прямоугольной по
тенциальной яме энергия оказывается квантованной и
может быть представлена приближенным соотношением:
Д,=^л\ (4.11)
2 т I2
где п — 1, 2, 3,... — квантовое число; т — масса частицы.
и через синусы, при четном л
что и представлено на рис. 4.46, пунктирными кривыми.
На рисунке видно, что в рассматриваемом случае ампли-
туда волны де Бройля в точках х = ±1/2 обращается в нуль.
Следовательно, при 17е -»<* микрочастица не может про-
никнуть внутрь барьера и выйти за пределы ямы. Если
глубина ямы конечна, то амплитуда волны де Бройля в
точках х — ±1/2 не обращается в нуль при любых л и имеет
продолжение внутри барьера.
На рис. 4.46 и 4.5 это представлено сплошными кри-
выми в заштрихованных областях. Иными словами, мик-
рочастица в потенциальной яме конечной глубины U° мо-
жет проникать вглубь барьера при энергиях Е, мень-
ших (7°, что противоречит закону сохранения энергии и
не наблюдается в макромире.
На рис. 4.5 представлена плотность вероятности об
наружить микрочастицу, обладающую энергиями Е„ Ег
и Е3 в точке с координатой х, что выражается как IvHxJf2,
Ь»г(*)1г и |va<x)f2.
76 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ ВягЛгпие в
Woont. 2. ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ 77
Обсудим теперь особенности поведения микрочастицы
в потенциальной яме.
Во- первых, энергетический спектр такой частицы дис-
кретен, а ее минимальная энергия не равна нулю (Et > О);
энергия Еу называется нулевой и часто обозначается Ео.
Наличие нулевой энергии свойственно любым квантовым
системам: физическому вакууму, кваркам в адронах, ну-
клонам в ядрах атомов, электронам в атомах, атомам в
молекулах и кристаллах. Из формулы 4.11 следует, что
при I -» ос и/или т -♦ оо, Ei “ Ео —» 0, т. е. нулевая энергия
становится равной нулю, что характерно для макросис-
тем, подчиняющихся законам классической физики. Если
I —» оо и/или m —» оо, то при любом конечном п расстояния
между соседними энергетическими уровнями частицы в
яме стремятся к нулю (см. формулу 4.12), т. е. дискрет-
ный энергетический спектр преобразуется в сплошной, что
свойственно макросистемам.
Наконец, из рис. 4.5 следует, что вероятности обнару-
жить микрочастицу в различных точках внутри ямы су-
щественно неодинаковы. Имеются точки, вероятность
«посещения» которых частицей максимальна. Они назы-
ваются пучностями (*„). Имеются и такие точки, в кото-
рых частица не бывает, — узлы (xv). Такое поведение со-
вершенно не свойственно макрочастицам (см. п. 4.5).
Для дальнейшего особенно важно то. что вероятность
проникновения микрочастицы в область барьера (jx| > 1/2)
не равна нулю, а лишь постепенно убывает с увеличением
расстояния от границы барьера (заштрихованные облас
ти на рис. 4.5). Если ширина барьера нс бесконечна, то
имеется отличная от нуля вероятность проникновения
микрочастицы за пределы барьера (туннельный эффект).
Туннельный эффект лежит в основе действия многих схем-
ных элементов наноэлектроники. Поэтому рассмотрим
особенности этого эффекта более подробно.
4.7.
ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ
Пояснение туннельного эффекта на качественном уров-
не дано в параграфах 4.5 и 4.6. Если потенциальный барь-
ер имеет прямоугольную форму, как это показано на
рис. 4.6, то вероятность проникновения микрочастицы
массой т за пределы потенциального барьера можно вы-
разить простой формулой:
D-I^r *№*-*'' (4.14)
где D — коэффициент прозрачности потенциального барь-
ера, равный отношению числа удачных попыток частицы
проникнуть за барьер ДА к общему числу- таких попыток А'
Рис. 4.»
Прямоугольный
потенциальный
барьер:
AN* — число неудачных
попыток микрочастицы
преодолеть барьер (N "
- AN 4 ДДТ).
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
Voem» 2 ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ
79
78 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Bardriuit в гпщиамкмт!.
(D — t±N/N), d — ширина барьера, U° — его высота,
(17® - Е) — «дефицит» энергии частицы внутри барьера,
Do — предэкспонеициальный множитель.
Из формулы (4.14) следует, что вероятность D туннель -
кого эффекта уменьшается с увеличением массы части-
цы, толщины потенциального барьера и дефицита энер-
гии (I/® - £). Например, коэффициент прозрачности по-
тенциалыюго барьера, толщиной d — 0,1 нм при 17°- Е - 1 эВ
равен для электрона D, = 0,4, а для протона 10 19
(те = 9,1 10 31 кг; тр — 1,67 • 10 27 кг). Если толщина
барьера d — 0,4 нм, то £>, — 0,01.
4.8.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР
КРИСТАЛЛА
В данном пара|рафе рассматривается энер1етическая
модель кристалла. Соответствующий учебный материал
выходит за рамки физики средней школы. Поэтому он
будет рассмотрен на самом элементарном уровне и в тес-
ной связи с известными читателю представлениями об
энергетическом спектре атома (см. рис. 4.2). Без знания
основных особенностей энергетического спектра кристал-
ла невозможно разобраться в принципах функционирова-
ния устройств микро- и наноэлектроники, основанных на
использовании полупроводников.
Энергетический спектр кристалла непосредственно
связан с энергетическим спектром тех атомов, которые
входят в его состав. В состав реального кристалла входят
как собственные, так и примесные атомы. В производстве
интегральных микросхем используют достаточно чистые
кристаллы. В них содержание примесных атомов обычно
не превышает 10 ®% от концентрации собственных ато-
мов (-б-Ю22 см 3). Примесные атомы находятся в кристал-
ле в среднем на таких расстояниях друг от друга, что прак-
тически не взаимодействуют между собой. Их энергети-
ческие спектры подобны спектрам свободных атомов, т. е.
дискретны, хотя и изменены воздействием собственных
атомов кристалла. Примесные уровни определяют тип и
величину электропроводности кристалла и влияют на ха-
рактеристики приборных микро-, опто- и наноэлектрон-
ных структур.
Взаимодействие собственных атомов друг с другом су-
щественно изменяет их энергетический спектр. Высоко
расположенные дискретные энергетические уровни изо
лированных атомов превращаются (при объединении
атомов в кристалл ) в широкие энергетические полосы -
зоны. Коренным образом изменяется и зависимость по
тенциальной энергии электрона от координат U(x,y, г);
она становится периодической (рис. 4.7).
Па рис. 4.7 схематически представлена одномерная
энергетическая модель кристалла.
Соседние атомы кристалла так изменяют потенциаль-
ное поле друг друга, что оно превращается в периодиче-
скую совокупность потенциальных барьеров и потенциаль-
ных ям (рис. 4.7). Функция (7(х) становится периодической.
Решение уравнения Шредингера для такого случая (неза-
висимо от конкретных особенностей периодического по-
тенциала) всегда дает зонный энергетический спектр.
Внешние электроны атомов принадлежат всему кристал-
лу, так как легко туннелируют сквозь потенциальные
барьеры, изображенные на рис. 4.7.
Связь зонного энергетического спектра кристалла с
дискретным энергетическим спектром атомов, из которых
состоит кристалл, можно пояснить с помощью мысленной
Рае. 4.7
Одномерная энергетическая модель кристалла:
а — межатомное расстояние; L — общий размер кристалла; А — потен-
циальный Гмгрьар, ограничивающий переход электронов от одного ато-
ма к соседнему; В — погенциальная яма.
Чес к, 1 ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗИИ TH Я ЭЛЕКТРОНИКИ
81
80 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕЕТТОНИКЕ Bwfeuur в сШ1Шалмоспь
процедуры образовании кристалла из первоначально раз-
несенных на большое расстояние друг от друга атомов. Для
конкретности рассмотрим образование кристалла натрия
из отдельных атомов. Кристаллический натрий — хоро-
ню проводящий металл. Его кристаллическая решетка
является кубической с параметром а =» 0,43 нм. Атомы на
трия имеют 11 электронов. Их распределение по кванто-
вым состояниям (при 7 = 0) можно представить выраже-
нием 1я22н22рв3л*3р°.
Допустим, рассматриваемый кристалл натрия состо-
ит из А атомов. Если разнести все его атомы на бесконеч-
но большие расстояния друг от друга, то энергетическая
структура каждого из них будет соответствовать рис. 4.8а.
Такой она останется при сближении атомов до расстоя-
ний, на которых они начинают взаимодействовать друг с
другом. (При мысленном сближении атомов натрия, мы
предполагаем, что их взаимное расположение соответст-
вует кубической структуре кристалла с уменьшающимся
Рас . 4.8
Энергетические спектры:
а — от дельного атома натрия; 6 — системы Л' атомов в зависимости от
расстояния между ними; я — две энергетические эоны кристалла, об-
разовавшиеся из За- и Зр-состояпий атома; ЗП — зона проводимости,
ВЗ - валентная эона.
межатомным расстоянием г > а.) Однако при достаточно
малом взаимном расстоянии г возникнет взаимодействие
атомов, и совокупность атомов превратится в единую
квантовомеханическую систему с характерным для нее
энергетическим спектром. Взаимодействие атомов изме-
няет положение исходных дискретных квантовых состоя-
ний и расщепляет их на отдельные, близко расположен-
ные энергетические уровни. Описанные изменения кван-
товых состояний атомов затрагивают в первую очередь
(т. е. при самых больших значениях г) уровень Зр° (точ-
ка Г1 на рис. 4.86), а затем уровень За1, на котором нахо-
дится внешний (валентный) электрон (точка гг). Этот элек-
трон наиболее удален от ядра собственного атома и поэто-
му первым испытывает влияние соседних атомов. Как
видно из рис. 4.86, при г — а внутренние квантовые состоя-
ния (2р, 2s и 1s) еще не искажены действием полей сосед-
них атомов.
В недеформировапном кристалле натрия реализуется
лишь единственное значение параметра решетки г = а.
Поэтому энергетический спектр кристалла натрия ото-
бражается лишь одним сечением диаграммы, представ-
ленной на рис. 4.86. Указанному сечению соответствует
координата г — а ~ 0,43 нм. В этом сечении квантовые со-
стояния Is, 2s и 2р остаются дискретными, а состояния 3s
и Зр — расщепляются и образуют энергетические эоны.
Электрон может иметь энергии, соответствующие этим
зонам. Поэтому такие эоны называются разрешенными.
На рис. 4.86 разрешенные зоны располагаются между дву-
мя точками (•) и двумя кружками (о). Энергиями вне раз-
решенных зон электрон обладать не может. Соответствую-
щие диапазоны энергетического спектра называются за-
прещенными эонами.
Разрешенная зона, в которой находятся валентные
электроны, называется валентной. Дли кристалла на-
трия это зона, образовавшаяся при расщеплении Зя-со-
стояния. На рис. 4.86 валентная зона располагается меж-
ду точками (•). Следующая, более высоко расположенная
по шкале энергий, разрешенная зона обычно называет
ся зоной проводимости. Электроны, попавшие в зону
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
Часке г ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ
М3
Н2 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. BwSrMUf » см
проводимости, обеспечивают электронную электропро
водность полупроводников и диэлектриков.
Выше зоны проводимости располагаются остальные
разрешенные зовы. Однако основные электрические и оп-
тические свойства кристаллов определяются особенно
стями валентной зоны и эоны проводимости, а также
энергетическим промежутком ЛЕ, между этими эона
ми — запрещенной зоной. Если запрещенная эона отсут-
ствует (ЛЕ, О), как это имеет место для кристалла
натрия, то соответствующее вещество относится к
металлам (проводникам). К металлам относятся и та
кие вещества, для которых ЛЕ, > О, но не все кванто-
вые состояния валентной зоны заняты электронами.
У непроводников (диэлектриков и полупроводников)
ЛЕв> О, квантовые состояния валентной эоны при аб
солютном нуле температур (Т — О) полностью заняты
электронами, а зона проводимости электронов их не
содержит.
Если О < ЛЕ, 3 эВ, то вещество относится к полу
проводникам. Для диэлектриков ЛЕ, > 3 эВ. Такое разде
ление полупроводников и диэлектриков введено условно.
11ри анализе электрических и оптических процессов в кри-
сталлах обычно используют лишь две разрешенные и одну
запрещенную эоны (если ЛЕ, > О). Подобный упрощенный
вариант энергетического спектра для кристалла натрия
представлен на рис. 4.8в, из которого видно, что для этого
кристалла валентная эона и эона проводимости перекры-
ваются, т. е. запрещенная зона отсутствует (ЛЕ, - О).
Валентная зона для кристалла натрия не полностью
занята электронами. Самый верхний энергетический уро
вень (Ef), который в металлах (при Т = 0) занят элек
троном, называется уровнем Ферми. Валентные электро-
ны не локализованы вблизи отдельных атомов, а свобод-
но перемещаются по всему кристаллу, подобно молекулам
газа в некотором сосуде. Систему электронов в проводя-
щих кристаллах называют электронным газом или элек-
тронной жидкостью. Уровень Ферми выполняет для элек-
тронной жидкости в кристалле ту же роль, что и уровень
жидкости в сообщающихся сосудах. Если привести в со
прикосновение два кристалла с различными уровнями
Ферми, то электроны будут * перетекать» из одного кри
сталла в другой до тех пор, пока не выровняются уровни
Ферми. Строгое определение смысла уровня Ферми дает-
ся в термодинамике.
4.9.
СОБСТВЕННАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Электропроводность полупроводников делится на
равновесную и неравновесную, собственную и примесную,
электронную и дырочную. В микро-, онто- и наноэлектро-
нике используются все виды электропроводности. Равно-
весная электропроводность присуща веществу без внеш-
него воздействия. Неравновесная вызывается внешним
воздействием, например светом (фотопроводимость).
Примесная электропроводность обусловлена элек
тронами или дырками, которые вносятся в кристалл
примесными атомами. Если концентрация собственных
носителей тока превышает концентрацию примесных, то
преобладает собственная электропроводность. Например,
для кремния, который является основным полупроводни-
ком в производстве ИМС, собственная электропроводность
при комнатной температуре может проявиться, если кон-
центрация доноров или акцепторов не превышает 10 **%.
Прохождение тока в веществе в простейшем случае
может быть описано законом Ома. Для однородного уча-
стка проводника этот закон может быть представлен в виде
J — U/R, где U — разность потенциалов ня концах провод-
ника, R — его сопротивление. Ого так называемая инте-
гральная форма записи закона Ома.
Закон Ома можно представить также в дифференци
альной форме, позволяющей описывать интенсивность
потока зарядов в каждой точке объема вещества:
j^aE„ (4.16)
где j — плотность электрического тока (ток, рассчитан-
ный на единичную площадь поверхности, перпендикуляр-
ной линиям тока в рассматриваемой точке среды), Е, —
I
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. ВвгЛ-яи/ • гл/чшммогт»
ч<км> г этапы и основы развития электроники
85
напряженность электрического поля, о — удельное сопро-
тивление вещества.
Величина о определяется соотношением:
а = q п р,
(4.16)
где п — концентрация переносчиков тока (например, элек-
тронов), q — их заряд, р — подвижность.
Подвижность зарядов численно равна средней скоро
сти, которую они приобретают в .электрическом поле
единичной напряженности. Чем выше подвижность элек-
тронов или дырок в полупроводнике, тем более быстро-
действующие приборы можно изготовить на его основе.
Концентрация равновесных носителей тока в полупровод-
нике может изменяться в широких пределах введением
примесей и изменением температуры. Концентрация не-
равновесных носителей зависит также от интенсивности
внешнего воздействия, например, светом (см. п. 4.13).
В курсе физики средней школы использовалась про-
странственная модель, поясняющая механизмы собствен-
ной и примесной электропроводности полупроводников.
Более информативной в этом смысле является энерге
тическая схема, включающая (рис. 4.9а,б) валентную
зону (ВЗ), зону проводимости (ЗП) и запрещенную зону
(KEt). Рис. 4.9а соответствует абсолютному нулю темпе-
!*'. 4.9
Энергетическая схема идеальною полрпрояодкикояою кристалла:
а — при Т-0-,0 — при Т > О.
ратур, когда эона проводимости пуста. Ширина запрещен-
ной эоны KEt различна для различных полупроводников.
Например, для кремния она равна примерно 1,1 эВ. Рас-
стояние между квантовыми состояниями внутри разре-
шенных эон имеет порядок 10 22 эВ. Поэтому даже сверх-
слабое внешнее электрическое поле способно сообщать
электронам дополнительную энергию, переводя их на бо-
лее высокие квантовые уровни в пределах эоны в том слу-
чае, если эти уровни свободны.
Если Т > 0, то возникает тепловое движение электро-
нов. Средняя энергия теплового движения электронов рав-
на kT, где А - 1,38 10 23 Дж/К — постоянная Больцмана.
При комнатной температуре АТ а 0,026 эВ, т. е. гораздо
меньше ширины запрещенной эоны. Однако некоторая,
хотя и очень малая, доля электронов имеет энергию тесто-
вого движения значительно выше средней. Такие электро-
ны оказываются способными перескочить через запрещен-
ную зону в эону проводимости. Этот процесс называется
тепловой генерацией носителей заряда типа «зона-зона»
(стрелки, направленные снизу вверх на рис. 4.96). В резуль-
тате в эоне проводимости возникают свободные электро-
ны, а в валентной эоне — пустые квантовые состояния.
Каждое пустое квантовое состояние, из которого »изъ
ят» отрицательный заряд, ведет себя как некий поло
жительный заряд и называется дыркой. Блуждая по кри
сталлу, электрон зоны проводимости самопроизвольно
переходит на пустой уровень валентной зоны (пунктир
нал стрелка на рис. 4.96). Такой процесс называется ре
комбинацией езона зона». Стационарные концентрации
электронов в эоне проводимости и дырок в валентной зоне,
установившиеся при динамическом равновесии между
процессами генерации и рекомбинации, обозначим nt ир,.
Очевидно, что n, — р,. Поэтому собственная электропровод-
ность о( полупроводников типа кремния имеет электрон-
ную и дырочную составляющие. Она зависит от ширины
запрещенной эоны и температуры. В простейшем случае
эта зависимость может быть представлена соотношением:
е <417>
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N
Часть г ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ
87
86 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОН И KE Bw-VbU/ « глсчиальлост»
где ол — предэкспоненциальный множитель, слабо зави-
сящий от температуры.
УровеньФерми в энергетическом спектре полупровод-
никового кристалла с собственной проводимостью лежит
(при Т “ О) посредине запрещенной эоны.
4.10.
ПРИМЕСНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ
При достаточно малой концентрации примесные ат о
мы обладают дискретным набором локальных энергети-
ческих уровней. Некоторые из них могут располагаться в
запрещенной зоне. Такие уровни обмениваются электро-
нами с разрешенными эонами.
Уровни, легко отдающие свои электроны в эону про
видимости, называют донорными, а соответствующие
примеси — донорными примесями. Типичные донорные
уровни располагаются вблизи нижнего края эоны прово-
димости (рис. 4.10).
На рис. 4.10 указаны донорные примеси, наиболее час-
то используемые в технологии кремниевых полупровод-
никовых приборов и ИМС.
Для полупроводниковых приборов на кремнии наиба
лее важными донорами являются элементы Vгруппы
периодической таблицы Менделеева: Sb, Р, Ав. Энерге-
тический зазор AEd между примесными уровнями этих
элементов и нижним краем зоны проводимости (энергия
активации донора) соизмерим со средней энергией теп-
лового движения электронов кТ « 0,03 эВ при комнатной
температуре. Поэтому уже при комнатной температуре
электроны почти всех доноров (Nd) переходят в зону про-
водимости.
Концентрация примесных электронов п в этой эоне рав-
на Nd. Эго равенство выполняется, если кТ > АЕа. В итоге,
примесная электронная проводимость (<т„) в соответствии
сформулой (4.16) равна:
e„-fl Nd (кТ^ЛЕД, (4.18)
где р„ — подвижность электронов.
Рис. 4 10
Энергетическая схема
кремния, легированного
донорами
кремния, легированного
акцепторами
При низких температурах (fcT « АЕЛ)
o.=G«oe", <4
где ол0 — предэкспоненциальный множитель, слабо зави
сяп(ий от температуры. Из формулы (4.19) видно, что при-
месная электропроводность убывает с уменьшением тем-
пературы, но не столь резко, как собственная электропро-
водность (см. формулу 4.17), так как AEd « АЕг.
Примесные электроны в полупроводнике п типа на
зывают основными носителями заряда; дырки — неос-
новными.
Уровень Ферми (Ef) электронного полупроводника
(при Т — 0) расположен между донорным уровнем и ниж
ним краем зоны проводимости (рис. 4.10).
Аналогичным образом возникает при месная дырочная
электропроводность (рис. 4.11). Дырки в полупроводниках
р типа являются основными носителями тока.
Типичными акцепторами в кремнии являются элемен-
ты III группы таблицы Менделеева: В, Al, Ga. Значения
энергии активации этих акцепторов АЕа приведены на
рис. 4.11.
Примесные уровни дырочного кремния (рис. 4.11) рас-
полагаются у верхнего края валентной эоны и легко захва-
тывают электроны из этой эоны, создавая в ней некоторую
88 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ « гл»чы«л»«т-и»
концентрацию дырок (р). Эта концентрация при кТ ЕЕа
равна Nd, а соответствующая примесная электропровод-
ность равна: af.qilpN„ (4.2О)
гдецр- подвижность дырок.
При низких температурах (kT <С ДЕа)
а.=а^Г*« «•“>
Уровень Ферми (Е?) дырочного полупроводника (при
Т = 0) лежит вблизи верхнего края валентной зоны
(см. рис. 4.11).
4.11.
ЭФФЕКТ КОМПЕНСАЦИИ
ПРИМЕСНЫХ УРОВНЕЙ
В реальных условиях в полупроводнике всегда имеют-
ся и донорные, и акцепторные примеси. Пусть их концен-
трации равны Nd и Na соответственно (рис. 4.12).
Донорные уровни создают свободные (примесные) из-
быточные электроны в зоне проводимости. Однако при на
линии акцепторных уровней примесные электроны неиз-
бежно перейдут на акцепторные уровни, которые для
этих электронов энергетически более выгодны. Вито
ге, <>онорные уровни потеряют способность обогащать
зону проводимости примесными электронами, а акцеп-
торные уровни не смогут создавать в валентной зоне
примесные дырки. Такой эффект называется взаимной
Е
Рас. 4.12
Энергетическая
схема паяупровод
ника, легиргтаннь
го донорными
и акцепторными
примесями
одкокреме нпо
Часть г. ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ 89
компенсацией примесных уровней. При полной компен-
сации (Nd~Na) концентрации примесных электронов и
дырок равны нулю; примесная электропроводимость от-
сутствует. При NdtN, имеет место частичная компенса-
ция. Если, например, Nd > Nt, то концентрация примес-
ных электронов равна п = Nd - Nd, н <зп = q р.„ (Nd - NJ.
При Nt > Nd имеем дырочную примесную проводимость
= Ч ‘ Мр ’ _ Nd). Этот случай соответствует рис. 4.12
(^-4.^ = 3).
Уровень Ферми у строго компенсированного примес
ного полупроводника (при Т — 0)лежит посредине запре
щенной зоны, как и у чистого полупроводника. Строго
компенсированный полупроводник обладает собственной
проводимостью и часто называется /-полупроводником
(англ, intrinsic — собственный). Эффект компенсации про-
является в работе многих приборных полупроводниковых
структур.
4.12.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗОНЫ
НА ГРАНИЦЕ ДЫРОЧНОГО
И ЭЛЕКТРО1ПЮГО ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Граница раздела между областями кристалла с элек-
тронной и дырочной щюводимостью называется электрон
но дырочным переходом или р-п переходом (подробнее
см. в гл. 5).
Из сравнения рис. 4.10и 4.11 следует, что положения
уровней Ферми в электронном (Е?)и дырочном (Е£) кри-
сталлах не одинаковы (Ерг в £’?)• Термодинамическое
равновесие между приведенными в контакт кристалла-
ми наступает в результате выравнивания энергий Фер-
ми (Epr - Е}). Это выравнивание сопровождается перете-
канием «электронной жидкости» из кристалла, где уро-
вень Ферми выше, в кристалл, где он ниже. В результате
указанных процессов контакт кристалловр- и n-типа при-
водит в области образовавшегося р-п-перехода к взаимно-
му смещению энергетических эон по оси Е, как это пока-
зано ня рис. 4.13. На рисунке виден энергетический ска-
чок (потенциальный барьер), проявляющийся в изгибе
и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
80
НАНОТЕХНОЛОГИЯ Н ЭЛЕКТРОНИКЕ. Bw&jwr слгцыиыикть
9«ст» г ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ
всех энергетических уровней в валентной лоне и эоне про-
водимости. Наличие и особенности потенциального барь-
ера в области р-п-перехода определяют свойства прибо-
ров, выполненных на основе р-п-перехода (см. гл. &).
При протекании прямого тока через р-п переход ос-
новные носители тока (например, электроны из п-облас-
ти) «принудительно» проникают (инжектируются) в область
с противоположным типом проводимости (в р-область).
В этой области указанные носители являются неосновны-
ми и неравновесными.
Пведение неравновесных избыточных носителей за
ряда в полупроводниковый или диэлектрический кри-
сталл под действием электрического поля называется
инжекцией. Инжекция характерна для контактов ме-
талл-полупроводник и дляр-л переходов. Будучи нерав-
новесными и неосновными в области с противоположным
типом проводимости, инжектированные носители пре-
терпевают рекомбинацию типа «зона-зона» с основны-
ми носителями. При этом концентрация инжектирован-
ных носителей убывает и через некоторое время г состав-
ляет лишь 1/е х 1/2,7 часть от исходной величины. Эго
время называется временем жизни неравновесных носи
телей заряда. За время т инжектированные носители ус-
певают углубиться в область с противоположным типом
проводимости на некоторое расстояние/, от р-л-перехо-
да. Это расстояние называется диффузионной длиной не-
равновесных носителей (электронов L„ и дырок £,). Диф-
фузионная длина I. связана со временем жизни г соотно-
шением:
I* • Lp * х^р'р’ (4.22)
где £>„ и Г>р — постоянные, называемые коэффициентами
диффузии электронов и дырок соответственно.
Величины г и £ определяют конструкцию и характе-
ристики многих полупроводниковых приборов. Они зави-
сят от типа полупроводника, концентрации и вида приме-
сей и дефектов в нем.
Отметим также, что рекомбинация каждого инжекти-
рованного через р-п переход неравновесного носителя за-
ряда может сопровождаться излучением кванта света Av,
что символизирует зигзагообразная стрелка на рис. 4.13.
Этот эффект лежит в основе действия полупроводниковых
светодиодов и квантовых генераторов. При малых токах
через р-п переход рекомбинационное излучение являет-
ся спонтанным, р-п переход работает как светодиод. С уве-
личением тока, начиная с i = спонтанное излучение
р-п перехода преобразуется в лазерное, и р-п переход на-
чинает работать как квантовый генератор (инжекционный
квантовый генератор).
4.13.
ПОНЯТИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ
МАССЫ ЭЛЕКТРОНА
Под действием силы внешнего электрического поля,
равной F - еЕ„ собственные и примесные электроны про-
водимости приобретают ускорение (а) и скорость направ-
ленного движения, образуя электрический ток в полу-
проводнике (Е„ — напряженность поля). Это не означа-
ет, однако, что для определения ускорения (а) можно
непосредственно пользоваться вторым законом Ньютона
(a — F/m). Дело в том. что характер движения электрона
92 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ в слгциалмосл»
в кристалле определяется не только внешней силой, но и
воздействием на электрон атомов кристаллической решет-
ки. В квантовой теории показано, что воздействие ато
лов кристалла на движение электрона можно формально
учесть, заменив массу электрона на другую физическую
величину, которая называется эффективной массой и
обозначается т'. При такой замене
<4И>
Эффективная масса электрона может изменяться
от значения, близкого к массе электрона (у границ зоны ),
до бесконечности (в середине зоны ) и быть как положи-
тельной (в нижней части зоны), так и отрицательной
(в верхней части зоны ).
Электроны с отрицательной эффективной массой пе-
ремещаются в сторону, противоположную направлению
действия внешней силы. Именно такое движение элек-
тронов формально учитывается введением фиктивных
положительных носителей тока (дырок). Если в верхней
части валентной эоны все квантовые состояния заняты
электронами, то их поток против внешнего поля (т‘ < 0)
в точности компенсируется потоком (по полю) электронов
нижней половины валентной эоны (т* > О). Этим объяс-
няется отсутствие электропроводности (ст = 0) у полупро-
водников, если Т — 0. При появлении в верхней части ва-
лентной эоны свободных квантовых состояний (Т > 0) об-
ратный поток электронов становится меньше прямого, и
в кристалле возникает электрический ток. Величина это-
го тока такова, как если бы он создавался положительны-
ми зарядами в количестве, равном числу свободных кван-
товых состояний в верхней части валентной эоны. Эти
формально введенные положительные электрические за-
ряды и называются дырками. Очевидно, что их эффектив-
ная масса положительна; они ускоряются в направлении
действия внешнего поля.
Введение понятия эффективной массы электронов и
дырок облегчает объяснение особенностей функциониро-
вания многих микро-, опто- и наноструктур.
Часа» г. ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ 93
Описанная ситуация в квантовой теории имеет и клас-
сические аналоги. Предположим, что мы рассматриваем
движение тела массой т в поле силы тяжести Fy. В свобод
ном состоянии его ускорение а(= g) = FT/m (где g — ускоре-
ние силы тяжести). В жидкости движущая сила умень-
шится на величину выталкивающей силы Архимеда FA,
и ускорение определится соотношением а = (Fy - Fj^/m.
Учитывая, что FT = mg = pVg и FA = p*Vg (p и рж — плот-
ности тела и жидкости соответственно, V — объем тела),
можно окончательно записать:
Рт
Видно, что влияние жидкости на движение тела под
действием силы тяжести FT удобно учитывать введением
эффективной массы т\ которая может принимать как
положительные значения (тело тонет), так и отрицатель-
ные (тело всплывает, т. е. ускоряется против силы тяже-
сти). Если |т*| — оо, то рж — р, тело будет оставаться непод-
вижным при любом конечном значении Fy.
4.14.
НЕРАВНОВЕСНАЯ
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ
СОБСТВЕННОГО ПОЛУПРОВОДНИКА
Неравновесная электропроводность обусловлена внеш
ним воздействием на кристалл. В п. 4.12 описан процесс
возникновения неравновесных носителей заряда за счет
их инжекции в р-п переходе. Рассмотрим закономерности
неравновесной электропроводности, вызванной действием
света (фотопроводимость) на кристалл, энергетическая
структура которого представлена на рис. 4.9. Очевидно, что
квант света с энергией hv > ДЕ, способен «перебросить»
электрон из валентной эоны в эону проводимости; при этом
в валентной эоне образуется дырка. Такой процесс называ-
ется генерацией неравновесных носителей светом. После
включения света (t — t>) концентрации неравновесных
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
94
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. ВввЗпм, • таг«|шл»>.«я»
Риг 4.14
Зависимость концентрации неравно
веемых электронов в мне проводимо
сти Лп от времени t после колюче
ния (t,) и выключения (t2) света:
п„ - равнсвс-синя концентрация элек-
трояол; п„— общая стационарная
концентрация электронов, устанав
липакшцшси после включении света.
носителей (Ал и Ар) увеличиваются. Процесс генерации
электронов и дырок сопровождается их рекомбинацией.
На рис. 4.96 эти два процесса отображены сплошными и
пунктирной стрелками соответственно.
При достижении динамического равновесия между про-
цессом генерации и рекомбинации величины Ал и Ар при-
нимают максимальные стационарные значения Ал„ и Ар„.
Зависимости неравновесной концентрации Ал и Ар от вре-
мени одинаковы. На рис. 4.14 представлен график Дл(Т).
Зависимость Ап от времени после выключения света
(t2) можно представить соотношением:
Ал-Ап^е ’ , (4.24)
где т — время жизни неравновесных носителей заряда.
Время жизни неравновесных носителей заряда — это
среднее время между моментом генерации и моментом
рекомбинации носителя.
После выключения света (t2) концентрация неравно-
весных носителей заряда убывает по экспоненциальному
закону (4.24) и уменьшается за время жизни т ве я 2,7 ра-
за, что показано на рис. 4.14. Зависимость неравновесной
электропроводности Да от времени t выражается форму-
лой, подобной формуле (4.19):
Аа = Ааст-е » .
Неравновесный носитель заряда в процессе теплово-
го хаотического движения успевает за время жизни сме-
ститься (в среднем) от точки генерации до точки ре
комбинации на некоторое расстояние L. Это расстояние
называется диффузионной длиной неравновесных носи-
телей (см. п. 4.12).
<Г«гл» г ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ 95
4.15.
ЗАВИСИМОСТЬ
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ
ОТ ТЕМПЕРАТУ РЫ
Типичные зависимости электропроводности полупро-
водников от температуры определяются формулами (4.17),
(4.19) и (4.21). Эти зависимости являются экспоненци-
альными, т. е. весьма резкими. П оэтому характеристи
ки большинства микро , опто и на ноэлек тронных при
борных структур достаточно чувствительны к изме-
нениям температуры.
Для любого полупроводника имеется такая темпе
ратура Тк, выше которой р-пструктуры на его осно-
ве перестают работать. Эта температура тем выше,
чем шире запрещенная зона.
Например, для германия Тк я 80°С(АЕГ я 0,7 эВ), для
кремния Тк я 120°С (АЕЯ а 1,1 эВ), для арсенида галлия
(GaAs) Тк я 250°С (АЕ, я 1,4 эВ). При достижении ука-
занных температур концентрация собственных носите-
лей в перечисленных полупроводниках превышает кон-
центрацию примесных, р-л-переходы исчезают, и при-
боры на их основе перестают работать.
Высокой чувствительностью к изменениям темпера-
туры обладают и активные элементы биологического
компьютера — нейроны человеческого мозга. Устойчи-
вую работу биологического компьютера природа обеспе-
чила помещением его в термостат (наше тело), который
поддерживает температуру ня уровне ~36,7°С. В технике
этот путь зачастую используется для сложных электрон-
ных систем.
В отдельных приборах и в интегральных микросхемах
стабилизация температуры обычно обеспечивается систе-
мой теплоотвода, а также специальными техническими и
схемными способами.
В частности, стремятся предельно снизить энергопо-
требление каждого элемента ИМС. Переход к наноэлек-
тронике — один из путей снижения остроты описанной
проблемы.
96 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Вогвгнлг в с|.пи>вл»««'тк
4.16.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
В ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ
К полупроводникам относится весьма большое число
химических соединений. Однако в массовом производст-
ве микро- и наноструктур приборного назначения исполь-
зуется лишь малая часть веществ с полупроводниковы-
ми свойствами. Это объясняется высокими требования-
ми к полупроводниковым материалам, предъявляемыми
практикой.
Полупроводниковые материалы, пригодные для эко-
номически оправданного массового производства высоко-
надежных приборов, должны:
• иметь высокую химическую стойкость и стабильность
свойств в широком диапазоне температур;
• обладать хорошей обрабатываемостью механически-
ми, химическими и другими методами;
• давать возможность получать на их основе достаточно
совершенные и чистые монокристаллические слитки
и слои;
• допускать формирование локальных областей р- и
п-типа;
• иметь необходимую ширину запрещенной эоны и вы-
сокую подвижность носителей заряда;
• опираться на достаточно емкую сырьевую базу, иметь
приемлемую стоимость и т. д.
Многолетняя практика выдвинула в качестве основ-
ного полупроводникового материала кремний. Сырье для
получения кремния практически неисчерпаемо: содержа-
ние кремния в земной коре составляет около 30%. Высо-
кие механические, химические, тепловые, оптические и
электрофизические свойства кремния позволяют ему за-
нимать лидирующее место в производстве дискретных
полупроводниковых приборов и интегральных микросхем
уже около 50 лет. Другие простые полупроводники (гер-
маний, алмаз и т. д.) применяются на практике намного
реже. Велики перспективы использования кремния и в
наноэлектронике.
«ость г. ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ 97
В области полупроводниковой оптоэлектроники на
первый план вышли соединения элементов 3-й и 5-й групп
таблицы Менделеева. Обычно их называют соединения-
ми «А три В пять» (AjB5). К элементам 3-й группы отно-
сятся, например, Al, Ga, In; к элементам 5-й группы — Аз,
Sb, Р. Широко используются как двухкомпонентные со-
единения (GaAs, InP, GaP и т. д.), так и многокомпонент-
ные AlGaAs, InGaAsP и т. д. Разнообразие свойств подоб
ных соединений обеспечивает производство эффективных
светодиодов, полупроводниковых лазеров, фоточувстви-
тельных элементов и т. д. Методы формирования опто-
электронных структур на основе соединений А3ВЬ обеспе-
чивают переход в оптоэлектронике к нанотехнологиям.
Помимо соединений A3BS имеются и другие двух- и
многокомпонентные полупроводниковые соединения, с
успехом использующиеся в полупроводниковой электро-
нике, однако пока не столь масштабно, как соединения
элементов третьей и пятой групп.
Полупроводниковыми свойствами обладают многие
органические соединения, например полиацетилен. Счи-
тается, что органические полупроводники перспективны
с точки зрения будущих применений, например в нано-
электронике.
Перспективна и особая группа полупроводников, об-
ладающих ярко выраженными магнитными свойствами.
Они называются магнитными полупроводниками. К ним
относятся EuS, CdMnTe, Мп0ЛСа0,зОз и др. (см. гл. 8).
В магнитных полупроводниках могут проявляться силь-
ные магнитооптические и магниторезистивные эффекты,
которые также находят применение в современной элек-
тронике, включая наноэлектронику.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Какие этапы в развитии электровики вы знаете?
2. Охарактеризуйте ламповую электронику. Какие проблемы
электроники, назревшие в 50-х гт. XX столетия, она не могла
решить?
3. Охарактеризуйте дискретную полупроводниковую электронику.
4. Что такое полупроводниковая структура? Какие полупровод-
никовые структуры вы знаете?
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
98 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Гм>гкчг • 'пщшиыижта
Б. Охарактеризуйте интегральную полупроводниковую электро-
нику.
в. Что такое интегральная микросхема (ИМС)? В чем увикаль-
кость полупроводниковых структур к»к конструкционных эле-
ментов ИМС?
7. В чем состоит гипотеза Плавка? Приведите и поясните форму-
лу Планка для кванта излучения.
8. В чем состоит двойственность природы света? Приведите и
поясните формулу, связывающую импульс и длину световой
волны.
9. В чем состоит гипотеза де Бройля? Приведите и поясните фор-
мулу де Бройля.
10. Какую роль играет уравнение Шредингера? В чем смысл функ-
ции, относительно которой записывается уравнение Шредин-
гера?
11. Приведите и поясните соотношение неопределенностей Гей-
зенберга.
12. Что отражают пространственная и энергетическая модели
атома?
13. Опишите основы теории Бора.
14. Опишите и поясните энергетическую модель атома водорода.
15. Какое излучение атома называется спонтанным, а какое вы
иуждениым?
16. В чем состоит энергетический подход при решении задач о дви-
жении частиц?
17. Что такое потенциальная яма. потенциальный барьер?
18. В чем состоит туннельный эффект?
19. Чем отличается энергетический спектр частицы, подчиняю-
щейся квантовой механике, от спектре классической части-
цы, находящейся в потенциальной яме?
20. Каковы особенности зависимости потенциальной энергии на
лектиого электрона в кристалле?
21. В чем состоят особенности энергетического спектра кристалла?
22. Как связан зонный энергетический спектр кристалла с дис-
кретным спектром атомов, из которых состоит кристалл?
23. Какие кристаллы относятся к проводникам? Полупроводни-
кам? Диэлектрикам?
24. Что такое уровень Ферми?
25. Какими видами электропроводности может обладать полу-
проводник? Дайте определение каждому виду электропро-
водности.
26. Запишите и поясните закон Ома в дифференциальной форме.
27. Какими физическими величинами определяется удельная
электропроводность кристалла?
28. Какие процессы называют генерацией и рекомбинацией носи-
телей тока в полупроводнике?
Чаекь г ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ 99
29. В чем состоит процесс компенсации примесных уровней? Ка-
кой вид проводимости реализуется в строго компенсирован
ном полупроводнике?
30. Где расположен уровень Ферми в энергетических спектрах
электронного, дырочного и собственного полупроводников?
31. Какая особенность движения носителей тока в кристалле под
действием внешнего электрического поля учитывается введе-
нием эффективной массы электрона?
32. Опишите закономерности неравновесной электропроводности
полупроводника, вызванной действием света на собственный
полупроводник.
33. Как зависит электропроводность полупроводника от темпе-
ратуры?
34. Каков характер энергетических зон полупроводникового кри-
сталла в области р л перехода?
35. Какие полупроводниковые материалы наиболее широко ис-
пользуются в электронике и оптоэлектронике?
iMiiiiavmitiinBiiMtMimrvmriiBMniiintaKtvtraHiaMaait
•5-
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
СТРУКТУРЫ
5.1.
роль ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
структур в МИКРО-
И ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ
Переход к третьему этапу развития электроники, основан-
ной на использовании ИМС (см. п. 4.1), часто связывают с
открытием в 1949 г. американским физиком У. Шокли
принципа действия полупроводникового транзистора. Од-
нако это не совсем так. Интегральная микросхема содер-
жит не только транзисторы, но и другие схемные элемен-
ты (резисторы, диоды и т. д.) Причем в основе действия
элементов ИМС, включая транзисторы, лежат универ
сальные схемные свойства полупроводниковых струк
тур. Значимость универсальных схемных свойств полу-
проводниковых структур для массовой технологии ИМС
была осознана специалистами далеко не сразу. За изобре-
тение транзистора Нобелевская премия была присуждена
У. Шокли в 1956 г., т. е. через 7 лет после разработки, а за
открытие, исследование и использование в микро- и опто-
электронике основополагающих свойств полупровод-
никовых структур — через десятки лет (Ж. И. Алферов,
Дж. Килби, Г. Кремер, Нобелевская премия, 2000)
Изобретения универсальных конструкционных элемен-
тов появляются довольно редко, но всегда оказываются
весьма ценными, так как определяют длительный техни-
ческий прогресс в соответствующей области. В механиче-
ских устройствах универсальными конструкционными эле-
ментами оказались, например, стержень и колесо, до сих
пор позволяющие создавать все более и более совершенные
механические системы и изделия. Природа также преуспе-
ла в создании необозримого разнообразия живых систем,
Часть 2 ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛККТРОНИКИ 101
• используя» универсальный конструкционный элемент —
клетку. Нет никаких сомнений в том, что переход к нано-
электронике не ограничится разработкой лишь лаборатор-
ных образцов, если будут найдены универсальные конст-
рукционные элементы, комбинацией которых удастся соз
давать наноприборы различного назначения, используя
либо групповую технологию, либо процессы самосборки. Для
нанотехнологии по принципу «снизу вверх» такими универ-
сальными конструктивными элементами являются атомы.
Полупроводниковая структура представляет собой
некую границу раздела, в которой присутствует полу-
проводниковый материал (см. п. 4.2.). Сюда относятся:
граница раздела между областями с дырочной и электрон
ной проводимостями внутри полупроводникового кри-
сталла (р-п переход), граница раздела между слоями
полупроводника с различной шириной запрещенной зоны
(гетеропереход), контакт «металл полупроводник»
(диод Шоттки), структура «металл-диэлектрик-по-
лупроводник» (МДП структура).
Электронно дырочные переходы и МДП структуры —
основа элементной базы интегральных микросхем, а ге-
теропереходы — основа оптоэлектронных приборов раз
личного назначения. Многие наноструктуры созданы при
разработке все более миниатюрных структур рассмотрен-
ного выше типа. С уменьшением размера структур были
выявлены новые полезные для электроники физические
(в основном квантовомеханические) эффекты. Обычно их
называют размерными.
Универсальные схемные свойства ярко выражены у
р-п-перехода. Поэтому рассмотрим особенности этой
структуры более подробно.
5.2.
ЭЛЕКТРОННО ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
И ЕГО СВОЙСТВА
Рассмотрим особенности и свойства р-п-перехода с
помощью простейших схем. На рис. 5.1 р-п-переход пред-
ставлен в виде пространственной конструкции с плоским
р-п переходом площадью S.
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
102 НАНОтеХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ • гк#цшал»Мосжь
Часть г. ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ 103
Р»с. 5.1
Схема кристалла,
содержащего электронную (п)
и дырочную (р) области:
2£ — длина кристалла; S — его
сечение.
На рис. 5.2 приведено рас-
пределение доноров и акцеп-
торов. Вблизи левой границы
кристалла (х —- L) и правой
(х = L) концентрации акцеп-
торов и доноров соответствен
но равны N„ и Nj и монотон-
но убывают к р-л-переходу
(х - 0). Электронно-дырочный
переход возникает в точках,
для которых справедливо ра-
венство NJx) = Nj(x).
В окрестности р-п-пере-
хода (х( — 0) концентрации до-
норов и акцепторов изменя-
ются . Это означает, что долж-
ны возникать диффузионные
потоки акцепторов в сторону
уменьшения их концентра-
ции, т. е. слева направо, и до-
норов — в обратном направле-
нии. Однако диффузия атомов
в твердом теле при комнатной
температуре столь слаба, что
приведенное на рис. 5.2 рас-
пределение примесей можно
считать неизменным.
На рис. 5.3 приведено рас-
пределение концентрации сво-
бодных электронов л (справа)
и дырок р (слева).
В плоскости р-п перехо
да имеет место полная ком
пенсация донорных и акцеп
торных примесных уровней
(No(0)- Nd(0)): примесная
электропроводность отсут
ствует. В этой плоскости
полупроводника имеются
Рж.5.4
Распределение зарядов
облиэи р-п перехода:
Рд — платность заряда; пло-
щади заштрихованных уча-
стков црч>иорциомм.’1ьми пол
ному значению зарядов Q.
BQ (Q.-lel).
Распределение динаров
и акцепторов в кристалле
с р п переходом (Xi-0)
Диффузионный Диффузио^ь*
поток дыре* потса :электроне®
Рас. 5.3
Распределение концентрации
свободных электронов и дырок
в кристалле с р-п переходом
только собственные носители тока с концентрациями nt.
Pt и собственная электропроводность. Такая область по
лупроводника называется i слоем. Собственная электро
проводность достаточно мала. Этот факт лежит в ос
нове проявления резистивных свойств р—п перехода.
Наличие изменения концентрации дырок и электро
нов (градиент концентрации) приводит к их диффузии че-
рез р-п-переход в направлении областей с противополож-
ным типом проводимости (стрелки на рис. 5.3). В резуль-
тате в слоях кристалла, прилегающих к р-п переходу,
нарушается электронейтральность: в р области возникает
избыточный отрицательный заряд (в слое толщиной х,), а
в п-рбласти — положительный заряд (в слое толщиной х„).
Образуется двойной электрический слой толщиной d —
“ х„ + xF, подобный зарядам на обкладках конденсатора
(рис. 5.4). Таким образом, у р-п перехода, помимо рези
стивных свойств, имеются и емкостные свойства. Со-
ответствующая емкость (Св) получила название барь
ерной. Величина d называется шириной р-п перехода.
Слой объемного заряда часто называется обедненным
(или запорным); он непосредственно прилегает к i слою
и имеет пониженную концентрацию носителей заряда.
Ширина р-л -перехода d и барьерная емкость Св зави-
сят от концентрации примесей (N„ и Nd) и разности потен-
циалов U, приложенной кр л-переходу, что в простейшем
случае(^ » N„) выражается приближенными формулами:
(5.1)
V 4Nt
CbBsl-^rf , <5 2>
44 V2(%-17)’
104 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Введенье a сп'цшыосо»
Часто 3. ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ
105
где е — диэлектрическая проницаемость полупроводни-
ка; <р* — контактная разность потенциалов, возникаю-
щая в области р-л-перехода благодаря наличию двойного
электрического слоя (напомним, что контактная разность
потенциалов возникает при соприкосновении любых раз-
нородных материалов); U — приложенная к р-п-перехо-
ду разность потенциалов; считается положительной, если
па p-область подан положительный потенциал, и отрица-
тельной — в противоположном случае.
Из формул (5.1) и (5.2) видно, что толщина объемно-
го заряда d и емкость С( изменяются с изменением раз-
ности потенциалов нар-л переходе. Этот эффект исполь-
зуется при создании различных дискретных приборов и
элементов ИМС.
На рис. 5.5 представлена зависимость потенциала <р
(пунктир) и потенциальной энергии <?<р для положитель-
ного (верхняя часть рисунка) и отрицательного (нижняя
часть рисунка) зарядов от координаты х. Потенциал соз-
дается объемными зарядами Q. и Q в области р-л-перехо-
да. Для положительного заряда (дырка) энергетически
•не выгодно» находиться в электронной области. Она
•стремится» самопроизвольно перейти в дырочную об
ласты, где ее энергия ниже. Электрону «не выгодно» нахо-
Завиеимость потенциала
I пунктирная кривая) и
потенциальной энергии QW
(сплошная кривая) для
положительного (верхняя
часть рисунка ) и отрицатель-
ною (нижняя часть) ларядоя
Рж.З.в
Вольт амперная характера
стика р-п перехода:
пунктир — линейная (омиче
скан) характеристика; астаккп
поясняют включениер-п пере-
хода.
диться в дырочной области. Он стремится скатиться в
электронную область. Диффузионные потоки зарядов
создают и увеличивают потенциальный барьер в р-л-пе-
реходе (пунктирные стрелки на рис. 5.3 и 5.5), а наличие
барьера и его увеличение приводит к возникновению и
увеличению обратных потоков зарядов (сплошные изогну-
тые стрелки на рис. 5.5).
Стационарная высота барьера (фрк) устанавливается
при наступлении динамического равновесия между опи-
санными встречными потоками электронов и дырок в об-
ласти р-л-перехода. Из рис. 5.5 видно, что рассматривае-
мый потенциальный барьер в области р-л-перехода не сим-
метричен. Его высота убывает, если на p-область подан
положительный потенциал, и возрастает при обратной
полярности включения р-л-перехода. Этот факт лежит в
основе эффекта выпрямления р-л-переходом переменно-
го электрического тока (рис. 5.6).
Пунктирная прямая на рис. 5.6 соответствует вольт-
амперной характеристике линейного сопротивления,
подчиняющегося закону Ома. Если внешняя разность по-
тенциалов U на р-л-переходе увеличивается, то потенци-
альный барьер <7<рк (рис. 5.5) становится выше и равняется
<?(<Рк + ) при обратном смещении (U < 0); становится ниже
и равен д(<р»-Й)— при прямом. Поэтому ток через р-л-
переход увеличивается с ростом напряжения менее резко,
чем по закону Ома, при обратном смещении и более резко —
при прямом. В результате вольт-амперная характеристика
становится нелинейной (сплошная линия на рис. 5.6), т. е.
р-л-переход приоб[>етает свойство выпрямлять переменный
электрический сигнал. Вольт-амперная характеристикар-
л-перехода описывается диодным уравнением. В простей-
шем случае его можно представить в виде:
i = ioe*r-lL (5.8)
где i0 — обратный ток насыщения (рис. 5.6). Этот ток на-
столько мал, что р-л-переход, включенный в обратном
направлении, широко используется для изоляции сосед-
них элементов ИМС друг от друга (см. п. 5.5).
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
106
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ КвгЛтие в гюцыммюгт»
Verm» 2 ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ
107
Различные виды вольт
амперных характеристик
нелинейных схемных
элементов (пунктир —
линейная характеристика )
На рис. 5.6 представлены два
типа вольт-амперной характе-
ристики — линейная,типичная
для обычного резистора (пунк-
тир), и нелинейная — с откло-
нением в сторону оси тока, свой-
ственная обычным полупровод-
никовым диодам. На рис. 5.7
приведены и другие варианты
нелинейных вольт-амперных ха-
рактеристик. Две из них имеют
так называемые «падающие»
участки (а-а‘) и (Ь Ь'). Первая
(верхняя) обычно называется
характеристикой S-типа (вблизи падающего участка а~а'
она напоминает букву S), а вторая (нижняя) — Л/-типа.
На падающих участках увеличению напряжения (Д{7 > О)
соответствует уменьшение тока (Д» < О), поэтому
tAJ „
Величина Ra имеет размерность сопротивления и называ-
ется дифференциальным сопротивлением. На падающих
участках вольт-амперной характеристики дифференци-
альное сопротивление схемного элемента отрицательно
(Яа<0). Элемент, работающий в электрической цепи в
режиме отрицательного дифференциального элемента, не
потребляет энергию, а может перекачивать в цепь из под-
ключенного источника ЭДС дополнительную энергию,
компенсируя ее потери на других элементах цепи. Если
эта компенсация будет превышать указанные потери в
цепи, то рассматриваемая цепь проявит свойства усили-
теля сигнала, поданного на вход цепи. Имеются и такие
схемы включения элементов с S- и ^характеристиками,
в которых возникает генерация электрических колебаний
в цепи или эффект переключения сигнала.
Следовательно, схемные элементы, вольт-амперные
характеристики которых имеют участки с отрицательным
дифференциальным сопротивлением, позволяют созда-
вать усилители, переключатели и генераторы сигналов.
Поэтому такие элементы называются активными (в отли-
чие от пассивных элементов: резисторов, конденсаторов,
индуктивностей).
К активным элементам относятся транзисторы и дио-
ды. Например, характеристикой TV-типа (рис. 5.7) обла-
дают так называемые туннельные диоды. Физическая
причина возникновения участка с отрицательным диф-
ференциальным сопротивлением для каждого типа при-
бора своя.
5.3.
ТРАНЗИСТОРЫ
В основе полупроводниковых транзисторов лежат р-
п переходы. Разновидностей транзисторов чрезвычайно
много. Все они разделяются на две большие группы — би-
полярные и полевые (униполярные). Протекание тока в
полевом (униполярном) транзисторе обусловлено носите-
лями заряда только одного знака — электронами или дыр-
ками (основные носители). В биполярном транзисторе ток
обусловлен движением зарядов обоих знаков.
В биполярном транзисторе имеется два близко распо-
ложенных встречно включенныхр-п перехода, разделяю-
щих три области кристалла, например сильно легирован-
ную электронную (эмиттер), дырочную (база) и слабо
108 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. НавМни, * глечсйЛ.мкт*
чма» г этапы и основы развития электроники
109
лигированную электронную (коллектор). Так устроен би-
полярный транзистор п-р-л-типа(см. рис. 5.8). Аналогич-
ную структуру имеет и транзистор р-п-р типа.
Прямой ток i через эмиттерный р- ппереход связан
с потоком электронов из п области в р область, где они
являются неосновными и неравновесными носителями
заряда (см.рис. 5.8). Описанный эффект называется ин-
жекцией (см. п. 4.12).
Инжектированные электроны попадают в зону прово-
димости p-области и за время жизни т рекомбинируют с
дырками валентной зоны. За это время они успевают в
процессе теплового движения проникнуть в глубь р-облас-
ти на расстояние.!.,,, которое называется диффузионной
длиной неравновесных электронов. Инжекция неравно-
весных носителей заряда через р-л-переход под действи-
ем прямого смещения нар-л-переходе лежит в основе ра-
боты биполярного транзистора.
Рассмотрим цепь коллекторногор-л перехода, в кото-
рую включен источник £*. ДолюЭДС источника, которая
распределена между сопротивлением коллекторного пе-
рехода и сопротивлением нагрузки R„, обозначим Ut.
Пока инжекция отсутствует, напряжение 17» в цепи
коллектора падает в основном на большом обратном со-
противлении коллекторного перехода. На сопротивлении
нагрузки R„ падает лишь малая доля напряжения (/*. Она
существенно возрастает, если включен эмиттер. Это объяс-
няется тем, что инжектированные электроны (область, обо-
значенная точками на рис. 5.8) снижают обратное сопро-
тивление коллекторного р-п перехода, и напряжение Uk
перераспределяется в пользу сопротивления нагрузки Я».
Сигнал, поданный на транзистор, усиливается. Усиление
сигнала транзисторной структурой происходит лишь при
условии, что ширина базы И' меньше диффузионной дли-
ны L„ инжектированных носителей заряда (W < L„). При
этом условии инжектированные неравновесные носители
заряда за время жизни успевают распространиться в об-
ласть коллекторного перехода.
Рассмотрим теперь принцип действия униполярного
транзистора. В униполярном транзисторе ток протека
О Исто* 3-rrwop Ctq«
Приводящий «нал л-типа
Структурная схема униполярного транзистора:
а — с затвором на основе р п перехода; б — с затвором, изолирован-
ным от полупроводника слоем диэлектрика.
ет а узком канале и регулируется внешним полем, пер
пендикулярным току. Поэтому подобные транзисторы
называются еще и канальными или полевыми. Регули
рующее поле создается специальным электродом — за
твором. Различают униполярные транзисторы с за те о
ром на основе р-п перехода и затвором, изолированным
от полупроводника слоем диэлектрика. В последнем слу
чае используют еще название «структура металл-ди
электрик-полупроводник» (МДП структура).
На рис. 5.9а,б представлены простейшие структурные
схемы униполярных транзисторов с затвором на основе
р-п-перехода (а) и затвором, изолированным от полупро-
водника диэлектриком (б).
На рис. 5.9а штриховкой обозначен обедненный (за-
порный) слой в области р-п перехода. Если нар-n переход
подано обратное напряжение (U < 0), то толщина обеднен-
ного слоя d увеличивается с увеличением напряжения на
затворе. В соответствии с формулой (5.1):
dtyfot+U.
С увеличением d сечение проводящего канала уменьша-
ется, его сопротивление увеличивается. Таким образом,
при помощи изменения напряжения на затворе можно
регулировать ток между истоком и стоком. В этом смыс-
ле затвор является аналогом сетки лампового триода
(см. рис. 4.1); истокисток — аналоги катода и анода. По-
добным же образом регулируется ток в проводящем ка-
нале в униполярном транзисторе с изолированным затво-
ром (рис. 5.96).
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I( Н Е R S О N |
Част» t ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ
111
110 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Beetle t сптшин.мт
5.4.
ЭЛЕМЕНТЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ.
ГЕТЕРОПЕРЕХОДЫ
Оптоэлектроника — научно техническое направле-
ние, в котором исследуются и используются эффекты
взаимного преобразования электрических и оптических
сигналов в веществе и на этой основе создаются устрой
ства для генерации, передачи, хранения, обработки и
отображения информации.
К основным элементам оптоэлектроники относятся
полупроводниковые источники некогерентного (светодио-
ды) и когерентного (лазеры) излучения, а также полупро-
водниковые фотоприемники. В основе действия многих
вариантов перечисленных приборов лежатр-п переходы.
При прямом включении в р-п переходе происходит
инжекция носителей тока, например электронов, как это
показано на рис. 5.8 (см. также п. 4.12 и рис. 4.13).
Инжектированные электроны являются неравновес
ными: в слое толщиной L„ они рекомбинируют с дырка
ми, которых вр области достаточно много. Каждый акт
рекомбинации связан с уменьшением энергии электрона
на величину ~КЕГ Эта энергия может преобразоваться в
энергию кванта электромагнитного излучения hv - ДЕЧ.
Следовательно, прямо включенный р-п-переход способен
испускать электромагнитную волну. Ее длина, выра-
женная в микронах, равна:
, 1.23
<5-4>
где ЛЕ, измеряется в электрон-вольтах. Описанный эф-
фект лежит в основе действия светодиодов.
Светодиод испускает некогерентное излучение. Од-
нако существует режим, в котором р-п-переход испус
кает когерентное, лазерное излучение. Соответствую
щие лазеры называются инжекционными полупроводни
ковыми лазерами.
Лазерное излучение может возникать в среде с так на-
зываемой «инверсной населенностью» энергетических
уровней (см. курс физики средней школы). В полупровод-
никовом квантовом генераторе инверсная населенность
создается инжекцией носителей заряда в область, где они
являются неравновесными. Их индуцированный переход
в равновесное состояние (рекомбинация) и создает лазер-
ное излучение. Лазерное излучение в полупроводниковом
квантовом генераторе наступает лишь при определен
ной величине прямого тока. Этот ток называется поро-
говым 1„,,Г(см. а. 4.12).
Р-п переход способен преобразовывать не только
электрическую энергию в световую (светодиод), но и
световую в электрическую. Этот эффект лежит в ос-
нове действия фотодиодов и различных фотопреобразо
вателей, например элементов полупроводниковых сол
печных батарей.
Описанные фотоэлектрические свойства р-п перехо-
дов используются в оптоэлектронике. Более эффектив-
ными для оптоэлектроники являются гетеропереходы
(см. п. 5.1). Гетеропереходы образуются на границах раз-
дела Si-Ge, GaAs-Ge, AlGaAs-GaAs и т. д. Особенно ши-
роко используются в оптоэлектронике гетеропереходы на
основе соединений элементов III и V групп таблицы Мен-
делеева.
На рис. 5.10а представлена диаграмма энергетических
зон для двух неконтактирующих полупроводников с раз-
личной шириной запрещенной зоны, например из-за
а — для двух некаитактмруммцнх полупрояцдмикоа; б — для р- п гете-
роперехода на их основе в состоянии термодинамического равновесия;
и qv, — потенциальные барьеры для электронов и дырок в области
гетеропереходи.
112 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. . спеошлмкл»
Част.». ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ
ИЗ
различия состава. Именно на основе таких полупровод-
ников могут создаваться гетеропереходы. По положени-
ям уровня Ферми Ег видно, что слева расположен полу-
проводник п типа. Видно также, что этот полупроводник
имеет меньшую ширину запрещенной зоны. Правая часть
рис. 5.10а относится к полупроводнику p-типа с боль-
шей шириной запрещенной эоныА£() < ЛЕ#. Валентные
зоны и эоны проводимости этих полупроводников пред-
ставлены лишь верхней и нижней границами этих зон,
которые обозначены соответственно £с1, £сг, £и, Evt.
Ширина запрещенной зоны левого полупроводника рав-
на A f1'—— £С1 £»1 • Э ПраВОГО ^Eg2 ~ ^С2 V2*
На рис. 5.106 изображено положение тех же энерге-
тических зон в состоянии термодинамического равнове-
сия после образования гетероперехода. Видно, что уров-
ни Ферми Еп и £,, одинаковы, а границы валентных
зон и зон проводимости слева и справа в области р~
п перехода существенно деформировались. Видно, что
и в зоне проводимости, и в валентной эоне возникают
скачки энергии, равные Д£с и Д£г соответственно. Эти
скачки связаны с неодинаковостью ширины запрещен
ной зоны первого и второго полупроводников. Если ДЕ,,
и Л£г2 становятся одинаковыми, то энергетическая диа-
грамма, представленная на рис. 5.106, совпадет с диа-
граммой для обычного р-п-перехода, т. е. скачки Л£с
и Д£г обратятся в ноль.
В гетеропереходе претерпевают скачки и другие па-
раметры полупроводников: ширина запрещенной зоны,
подвижность носителей заряда, их эффективные массы
и т. д. Скачкообразное изменение свойств полупроводни-
ка на гетеропереходе дает возможность целенаправленно
управлять этими свойствами путем подбора сопрягаемых
полупроводниковых материалов. Поэтому гетероперехо-
ды используются для совершенствования существующих
полупроводниковых приборов и создания принципиаль-
но новых приборов различного электронного и оптоэлек-
тронного назначения.
Гетероструктуры находят широкое применение и в
наноэлектронике (см. гл. 7-9).
5.5.
P-А ПЕРЕХОД
КАК СХЕМНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИМС
Изложенное в п. 5.2 показывает, чтор-л-переходу при-
сущи многие схемные свойства и он может использовать-
ся для формирования на одном кристалле функциональ-
но различных схемных элементов. Однако эта особенность
р-л-перехода приводит к существенному технологическо-
му выигрышу лишь при условии одновременного форми-
рования на кристалле сразу всех необходимых для ИМС
р-л-переходов, т. е. при групповой технологии. Группо-
вая технология легко реализуется в так называемом пла
парном варианте изготовления элементов ИМС. В планар-
ной технологии элементы изготавливаются либо на общей
плоской поверхности, например в виде токопроводящих
тонкопленочных дорожек, либо в весьма тонком припо-
верхностном слое кристалла (диоды, транзисторы). Для
такой технологии необходимо придать планарность кон-
струкции диодов и транзисторов.
При описании конструкции элементов ИМС и самой
интегральной микросхемы используются ее изображения
в виде структурной и топологической схем. Структурная
схема ИМС — это ее изображение в разрезе, а топологи
ческая — в плане.
На рис. 5.11а,6представлен участок ИМС, на котором
расположен планарный полупроводниковый резистор.
На рис. 5.11 виденр-п-переход, ограничивающий пла-
нарный резистор. Сопротивление резистора определяется
Контакты
Попупр~«>од»'икосая
пластуна л-тмпа
Рве- 5.11
Структурная (а) и топологическая (б) схемы участка ИМС, содержа
Щего планарный рсэистср в виде прямоугольной робласти, ефпрмиро
ванной в л кристалле (штриховкой обозначен дилдектрическии слой):
5 — ширина токопроводящей дорожки.
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
114
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ • гмииалымиж»
Чогт» 2. ЭТАНЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ
115
Рас. 5.12
Сгпрукяаджыг схемы емко
сти (а). диода (б) и транзисто
ра (в) в планарном исполнении:
К — контакт к коллектору. В —
к базе. Э — к эмиттеру.
удельным сопротивлением p-области и ее размерами h,
I, Al. Токопроводящие дорожки соединяют резистор с дру-
гими элементами ИМС. Аналогичным образом могут быть
представлены любые участки ИМС, выполненной в пла-
нарном варианте.
На рис. 5.12 приведены структурные схемы планарно-
го конденсатора (а), диода (б) и транзистора (в).
Структура планарного транзистора (рис. 5.12в) вклю-
чает эмиттер p-типа, окружающий его эмиттерный р-
л-переход и эмиттерный контакт (на рис. 5.12а обозначен
буквой «Э»). Ниже расположена база л-типа, окруженная
коллекторным рл-переходом, и коллектор p-типа. Тран-
зистор и другие элементы расположены в ИМС столь близ-
ко друг от друга, что могут взаимным влиянием неконтро-
лируемо искажать характеристики друг друга. Поэтому
в ИМС каждый элемент изолируется от другого. Техноло
гически наиболее простой является изоляция с помощью
дополнительногор -п перехода (ИП на рис. 5.12 ), образую
щего область, называемую изолирующим «карманом».
Использование изолирующих карманов — самый распро-
страненный метод ослабления взаимного влияния сосед-
них элементов при работе ИМС.
На рис. 5.13 приведена структурная схема функцио-
нального узла ИМС в планарном исполнении, включаю-
щая несколько схемных элементов, размещенных в изо-
лирующих карманах (I-IV).
Из рис. 5.13 видно, что все элементы данного узла вы-
полнены на основе р л-переходов. Виднотакже, каким об-
1>аэом соединены между собой отдельные элементы ИМС
токопроводящими дорожками 1,2,3,4, 5, 6. Две токопро-
водящие дорожки (2 и 3) взаимно перпендикулярны и пе-
ресекаются. Их замыкание устраняется наличием между
ними изоляционного слоя. Система подобных токопрово-
дящих дорожек называется двухуровневой. В сложных со-
временных ИМС соединение между элементами является
м ногоу ровневы м. Испол ьэован ие р-п -переходов дл я фор -
мирования всех схемных элементов ИМС существенно уп-
рощает их технологию. Дальнейший технологический
прогресс достигается использованием в ИМС схемных
элементов одного типа, например транзистора. Подоб-
ные структуры называются однородными транзисторными
структурами. Используя соответствующую систему меж-
соединений , можно превратить однородную структуру в ту
или иную конкретную ИМС. Па рис. 5.14 показано, как это
реализуется для схемного узла, изображенного на рис. 5.13.
На рис. 5.14 во всех четырех изолирующих карманах
(I, II, III, IV) сформированы транзисторы. Первый трак
зистор использован в качестве емкостного элемента,
второй — в качестве диода, третий работает по пря
мому назначению, а четвертый использован в качестве
Структурная схема функционального узла ИМС. содержащею
емкость С. диод Д. транзистор Т и резистор R
Рае. 5.14
Схемный узел, изображенный на рис. 5.13. выполненный на осноее
однородной транзисторной структуры:
6 — ширина токопроводящих дорожек, ив правлеиаых перпендикуляр-
ио рисунку.
аини в м tiMiMiiiiTavRunMtninaaHiitflmBi тимми ш
lie НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ • гшкымхнослы
резистора. Отметим, что в реальных ИМС на однородных
транзисторных структурах все значительно сложнее, чем
это представлено на рис. 5.14. Упрощенная схема рисун-
ка поясняет лишь общий принцип использования указан-
ных структур и технологические преимущества форми-
рования ИМС на их основе.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Что такое полупроводниковая структуре? Какие виды полу-
проводниковых структур вы знаете?
2. Какие полупроводниковые структуры положены в основу ИМС
и оптоэлектронных приборов?
3. Что такое р л-переход? Как распределены доноры и акцепто-
ры вблизи р п перехода?
4. Как распределены концентрации электронов и дырок, а также
объемного электрического заряда вблизи р-п перехода? Чем
обусловлены емкостные свойства р-л-перехода?
5. Чем обусловлены резистивные свойства р п перехода?
6. Благодаря каким процессам возникает потенциальный барьер
в област и р-л-перехода?
7. Объясните, как связан эффект выпрямления р п переходом пе-
ременного электрического тока с несимметричностью потен-
циального барьера в слое объемного заряда.
8. Запишите диодное уравнение и постройте на его основе вольт-
амперную характеристику' р-п-перехода.
9. Опишите эффект инжекции неравновесных носителей заряда
через р-л-переход. Что такое диффузионная длина неравно-
весных носителей заряда?
10. Объясните механизм усиления электрического сигнала бипо-
лярным транзистором.
11. Объясните механизм излучения света р л переходом, вклю
чевным в прямом направлении.
12. Что такое топологическая и структурная схемы интегральной
микросхемы?
13. Нарисуйте и поясните структурную и топологическую схему
планарного резистора, конденсатора, диода и биполярного
транзистора.
14. Какие особенности р-л-перехода позволили создать высокоэф-
фективную групповую технологию ИМС?
15. Какие технологические преимущества при формировании эле-
ментов ИМС ласт использование однородных полупроводни-
ковых структур?
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
НАУЧНЫЕ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ
НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
OT'iwarffla.BriiiiLiii'iiBMKi iiiriiaEr'iMauii’iiiiivwMiliir
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
ги:iml нт: к мяш ипнспаа iiruiat' п им* шиаяи.твпши
•6‘
ПРЕДПОСЫЛКИ ПЕРЕХОДА
ОТМИКРО-
К НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ
6.1.
ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Наноэлектроника— новый этап развития электроники
(см. п. 4.1). Движущая силаразвития электроники оста
ется прежней — требование повышать быстродействие
и надежность, снижать энергопотребление, габариты и
стоимость информационных систем и устройств. Для
продвижения на этом пути необходимо уменьшать разме-
ры элементов ИМС.
В настоящее время микроэлектроника позволяет соз
давать элементы наноразмеров, т. е. наноэлектроника ес-
тественным образом зародилась в недрах традиционной
микроэлектроники. Для осмысления особенностей пере-
хода от микро- к наноэлектронике необходимо познако-
миться со спецификой современной технологии ИМС. Это-
му посвящена первая часть данной главы (включая о. 6.8).
Однако более радикальные успехи наноэлектроники
связаны с новыми достижениями фундаментальных наук,
и в первую очередь — физики. Краткому обзору достиже-
ний экспериментальной и теоретической физики, привед-
ших к революционным переменам в современной электро-
нике, посвящена вторая часть настоящей главы. Более
подробно тот же материал излагается в 7-й и 8-й главах.
6.2.
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ТЕХНОЛОГИИ ИМС
Основными этапами изготовления ИМС являются:
• получение чистого полупроводникового материала
(п. 6.3);
Ч«я» 3. ОСНОВЫ НАН03ЛЕКТР0НИ КИ 119
выращивание из него совершенных монокристалла
ческих слитков с заданными физическими свойства-
ми (п. 6.3);
• изготовление из слитков полупроводниковых пластин
(п. 6.4);
• получение на основе пластин базовых полупроводни-
ковых структур (они называются эпитаксиальны
ми, □. 6.5);
• формирование элементов ИМ С в эпитаксиальном слое
полупроводниковой структуры (п. 6.6);
• изготовление ИМС в виде отдельных законченных из-
делий.
В данном перечне опущены этапы проектирования,
контроля, а также тех налоги и изготовления других мате-
риалов, помимо полупроводниковых.
ПОЛУЧЕНИЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО МАТЕРИАЛА
Технология ИМС предъявляет к полупроводниковому
материалу достаточно жесткие требования (см. □. 4.16.)
Этим требованиям удовлетворяют кремний, арсенид гал-
лия (GaAs) и еще ряд материалов. Однако ИМС изготавли-
ваются в основном на кремнии. Поэтому кремний называ-
ют базовым полупроводниковым материалом для ИМС.
Таким он стал в результате определенного конкурентного
отбора. В оптоэлектронике наиболее широко используют-
ся соединения элементов III и V групп таблицы Менделее-
ва, например GaAs (см. п. 4.16).
Получение полупроводникового материала для ИМС
рассмотрим на примере кремния. В массовом производст-
ве кремний получают восстановлением песка (SiO2) в сме-
си с коксом (С) при высоких температурах. Полученный
таким образом кремний называется металлургическим.
Его чистота (~2% неконтролируемых примесей) и струк-
тура (поликристалл) не позволяют использовать этот ма-
териал для изготовления ИМС.
Далее производится глубокая химическая очистка
кремния в виде летучего соединения и его {мзложение
120 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. « с»ецивл»н«»«»
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 охлаж-
даемую затравку из тигля, где химически очищенный
кремний находится в расплавленном состоянии (метод
Чохральского). При выращивании монокристаллическо-
го кремния методом Чохральского происходит дополни-
тельная (кристаллизационная) очистка материала от мно-
гих примесей. Однако материал тигля (кварц) вносит в рас-
тущий кристалл свои примеси. Поэтому разработан метод
перекристаллизации кремния без использования тигля
(бестигельная зонная плавка). Выращенный этим мето-
дом кремний обладает самой высокой чистотой. При не-
обходимости слитки кремния в процессе выращивания ле-
гируются донорными или акцепторными примесями. Так
получают слитки с л- и p-типом проводимости, удельное
сопротивление которых может изменяться в широких пре-
делах.
Монокристаллические слитки кремния обычно име-
ют цилиндрическую форму.
6.4.
ПОЛУЧЕНИЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН
Полупроводниковые слитки режут тонкими стальны-
ми дисками с алмазной кромкой на пластины, диаметр и
площадь которых определяются диаметром слитка. Чем
больше площадь пластины, тем больше элементов ИМС
можно сформировать на пластине, тем на большее число
чипов ее можно разделить, тем больше ИМС можно полу-
чить из одной пластины. В настоящее время для массово-
го производства ИМС выращивают кристаллы кремния
диаметром до 300 мм. На пластине такого диаметра раз-
мещается более 1000 чипов, на каждом из которых мож-
но сформировать до 10е схемных элементов. Таким обра-
зом, полученные из одной пластины 1000 ИМС могут со
Чост* 3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 121
держать до 10,г активных элементов, что в 100 раз боль-
ше, чем нейронов в человеческом мозге (~10*° штук).
Пластина, вырезанная из слитка, не может исполь
зовагпься для формирования на ней элементов ИМС, так
как ее поверхность имеет геометрические и структур-
ные дефекты. Их устраняют шлифовкой и полировкой
до 14-го класса чистоты (оптическая полировка). После
такой обработки на поверх тити пластины сохраняются ло-
кальные впадины и выступы порядка 50 нм, и становятся
эффективными последующие стадии формирования эле-
ментов ИМС методами планарной технологии (см. п. 5.5).
6.5.
ПОЛУЧЕНИЕ
ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР
При формировании планарной транзисторной струк-
туры, изображенной на рис. 5.13, все элементы транзи-
стора выполняются воздействием на полупроводниковую
пластину с поверхности. Сначала вводятся донорные при-
меси, образующие изолирующие карманы n-типа, затем
акцепторные — для создания базы (p-типа), и снова доно-
ры — для формирования эмиттера.
Любые примесные атомы нарушают структуру кри-
сталла. Трехкратное введение примесных атомов искажа-
ет кристаллическую структуру в такой степени, что суще-
ственно снижается процент выхода годных транзисторов.
Поэтому до 1965 г. выход годных ИМС на биполярных
транзисторах не превышал 5%. Процент выхода годных
был увеличен до 50-70% переходом на формирование
транзисторов в тонком слое монокристаллического крем-
ния, наращенного на пластину. Такой слой называется
эпитаксиальным. Совершенство эпитаксиального слоя не
уступает совершенству монокристалла, из которого полу-
чена пластина. Если на пластине р-кремния вырастить
эпитаксиальный n-слой, то в нем можно сформировать
изолирующие карманы, структура кремния в которых
значительно более высока, чем в кармане, полученном
введением примесных атомов л-типа непосредственно в
пластину p-типа с ее поверхности.
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N
122 НАНОТКХ ПОЛОГИ Я В ЭЛЕКТРОНИКЕ Вы«г<ии « а«»цшмиихш,
Современные ИМС на биполярных транзисторах по-
лучают на эпитаксиальных структурах. Поэтому они на-
зываются базовыми полупроводниковыми структурами.
Эпитаксия — это ориентированное наращивание
кристаллических слоев на монокристаллическую под
ложку. Если на подложке наращивается эпитаксиаль
ный слой того же состава и структуры, то такой вид
эпитаксии называется гомоэпитаксией; если иного со-
става — то гетероэпитаксией. При изготовлении ИМС
на кремнии используют гомоэпитаксию (кремния на крем-
нии). Для получения гетеропереходов (гетероструктур)
оптоэлектронного назначения используется гетероэпитак-
сия. Например, на подложке арсенида галлия (GaAs) на-
ращивают эпитаксиальный слой трехкомпонентною со-
единения AlGaAs (см. п. 5.4).
При любом способе эпитаксии имеются: источники
атомов ростового вещества, среда, в которой эти атомы
переносятся к подложке, и подложка. Если средой пере
носа является вакуум, то это — вакуумная эпитаксия.
В вакууме атомы обычно переносятся в виде молекуляр
ных пучков. Поэтому такой вид эпитаксии называется
молекулярно лучевой (МЛЭ) или молекулярно пучковой
(МПЭ). Если средой переноса служит газ или пар, то
эпитаксия называется газофазной или парофазной. В на
стоящее время весьма распространена газофазная эпи
таксия из паров металлоорганических соединений (МОС
ГФЭ). Наконец, если атомы ростового вещества посту-
пают на подложку из жидкой фазы, то это — жидко
фазная эпитаксия (ЖФЭ).
Уже указывалось, что в нанотехнологии по принци-
пу «снизу вверх» целесообразно использовать механиз-
мы самоорганизации получаемых нанообъектов. Про-
цесс эпитаксии обладает признаками самоорганизации.
При эпитаксии упорядоченный объект (тонкий монокри-
сталлический слой), один из размеров которого (толщи-
на) может соответствовать наномасштабам или иметь
внутреннюю наноструктуру, самоформируется по меха-
низму «снизу вверх» из отдельных атомов, первоначаль-
но движущихся хаотически.
Ч«оп» J.ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 123
Из газовой или жидкой среды беспорядочно движу-
щиеся атомы ростового вещества попадают при эпитак-
сии на подложку, состоящую из атомов, располагающих-
ся в строгом порядке, образуя кристаллическую струк-
туру. Воздействие атомов подложки принуждает атомы
ростового вещества из неупорядоченной среды принимать
строго упорядоченные пространственные позиции, повто-
ряя кристаллографическую структуру подложки. В мик-
роэлектронике используются и другие процессы, обладаю
щие признаками самоорганизации. В нанотехнологии по-
добные процессы должны стать доминирующими.
В нанотехнологии находят применение слои, толщи-
на которых лежит в нанодиапазоне (1-100 нм). В более
толстых слоях эпитаксия позволяет получать особые на-
ноструктуры, например сверхрешетки (см. гл. 7).
6.6.
МЕТОДЫ ФОРМ ИИ) ВАНИЯ
ЭЛЕМЕНТОВ ИМС
В полупроводниковых ИМС основным элементом яв-
ляется р-п переход, например в составе транзистора. Для
формирования р п-перехода необходимо в полупроводник
заданного типа проводимости вводить атомы примесного
элемента, создающего проводимость противоположного
типа. Методы легирования кристаллов различными при-
месями хорошо разработаны.
В технологии ИМС широко используются два мето
да легирования: диффузия и ионная имплантация. Диф
фузия примесей — это процесс переноса примесных ато-
мов из областей среды, где их концентрация велика, в
области с меньшей концентрацией за счет теплового
хаотического движения частиц вещества. Движущей
силой диффузии является градиент концентрации. Гра-
диент концентрации — это вектор, направленный в сто-
рону ее наиболее быстрого увеличения и численно рав-
ный скорости увеличения концентрации в этом направ-
лении. Поток диффундирующих примесей направлен в
сторону, щютивоположную вектору п>адиента концен-
трации, и пропорционален его величине. Коэффициент
124 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ ВагЗгшг « слП|Ш»хогт>
пропорциональности (D) называется коэффициентом диф-
фузии. Коэффициент диффузии в твердом веществе весь-
ма резко (экспоненциально) зависит от- температуры (71):
D^Do е ^, <61>
где Do — предэкспоненциальный множитель, слабо зави
сящий от температуры, U„ — энергия активами процес-
са диффузии.
Диффундирующий атом находится либо в узле кристал-
лической решетки, замещая собственный атом (примесь
замещения), либо между ухтами решетки (примесь внедре
ния). И в том, и в другом случае его положение соответству
ст минимуму потенциальной энергии (потенциальная яма).
В этом положении примесный атом находится в течение
некоторого времени (время оседлой жизни), совершая теп-
ловые колебательные движения, как и другие атомы кри-
сталла. Чтобы перейти в аналогичное соседнее положение,
примесный атом должен преодолеть потенциальный барь-
ер высотой Ua. Преодоление этого барьера доступно атому,
который получил в процессе взаимодействия с соседями
энергию, ле меньшую U„. Активированные за счет тепло
вой энергии перескоки примесных атомов из одного места
закрепления в другое и лежат в основе диффузии. С ростом
температуры частота диффузионных перескоков атомов воз-
растает и коэффициент диффузии D увеличивается. При-
емлемые для формирования элементов ИМС скорости диф-
фузии доноров и акцепторов в кремнии достигаются при
температурах 1000 12504?. При столь высоких температу-
рах в кремний диффундиру ют и посторонние (фоновые) при-
меси, что может приводить к неконтролируемому измене-
нию параметрон ИМС и браку. В этом — один из недостат-
ков диффузионного легирования полупроводников.
Метод диффузионного легирования широко использу-
ется в технологии ИМС благодаря простоте и высокой про-
изводительности, а также возможности внедрять примесь
в глубь кристалла практически на любую требуемую для
ИМС глубину. Диффузия атомов в веществе сопровожда-
ет также многие процессы в нанотехнологии и может ис-
пользоваться для получения необходимого результата.
3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 125
Ионная имплантация (ионное легирование)— это
введение легирующей примеси в твердое тело путем его
бомбардировки примесными атомами в виде ионов, ко
торым на ускорителе элементарных частиц сообщена
энергия Е > 104 эВ. Глубина проникновения ускоренных
ионов в кристалл обычно меньше 1 мкм. Однако для со-
временной микроэлектроники и наноэлектроники этого
достаточно. Бомбардировка ионами кристалла нарушает
его структуру, что недопустимо в технологии ИМС. Одна-
ко возникшие нарушения устраняются последующим от-
жигом кристалла при температурах более низких, чем те,
которые используются в условиях диффузионного леги-
рования. В этом — одно из преимуществ ионной имплан-
тации примесей.
Другое важное преимущество связано с возможностью
обеспечить почти абсолютную чистоту процесса легиро-
вания — вплоть до легирования атомами отдельного изо-
топа данного элемента. Такая возможность связана с ис-
пользованием в технологических ускорителях магнитных
сепараторов, в которых ионы различной массы переводят-
ся силой Лоренца на различные траектории движения.
Ионное легирование позволяет весьма точно, даже по-
штучно, контролировать количество атомов примеси, вво-
димых в кристалл.
Описанные особенности ионного легирования полез-
ны и для наноэлектроники.
Элементы ИМС соединяются между собой токопрово-
ДЯП1ИМИ тонкопленочными дорожками. Взаимная изоля-
ция этих дорожек и их изоляция от кремния осуществ-
ляется тонким слоем диэлектрика. Следовательно, основ-
ными методами формирования активных, пассивных и
соединительных элементов ИМС являются методы леги-
рования кристалла и методы получения на его поверхно-
сти металлических, диэлектрических и полупроводни-
ковых слоев. Для получения полупроводниковых слоев
используется эпитаксия. Проводящие и изолирующие
слои не являются монокристаллическими. Методы их по-
лучения весьма разнообразны. В качестве простейшего
метода получения диэлектрического слоя SiO2 на кремнии
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N
Часть 3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
127
126 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Betitnut о ««иллмиюкз
используется окисление кремния в кжлородсюодержащей
газовой среде. Простейшим методом нанесения металли-
ческих слоев является термическое испарение вещества
в вакууме. К свойствам полупроводниковых, диэлектри-
ческих и металлических слоев в микроэлектронике предъ-
являются разнообразные и весьма жесткие требования.
Лишь при выполнении таких требований удается созда-
вать достаточно надежные ИМС.
6.7.
ЛИТОГРАФИЯ
Методы формированияр-л-переходов, металлических
и диэлектрических слоев, описанные в предыдущих па-
раграфах, не позволяют придавать элементам ИМС доста-
точно малые размеры в плане. Чтобы превратить эти слои
в элементы ИМС, необходимо подвергнуть их микрогра-
вировке. Различные методы микрогравировки слоев обоб
щенно называются литографией. Различают фотолито
графию, рентгеновскую литографию, электроннолуче
вую литографию и т. д. Постоянное совершенствование
методов литографии открыло возможность перехода мик-
роэлектроники к наноэлектронике, в рамках которой ли-
тография продолжает успешно развиваться (см. п. 8.3).
Суть литографии можно уяснить на примере фотоли-
тографии, простейшего вида литографии. Фотолитогра
фия представляет собой метод фотохимической микро
гравировки металлических, диэлектрических и полу про
водниковых слоев. Основные этапы фотолитографии на
пластине кремния:
• нанесение на пластину слоя диэлектрика, обычно ди-
оксида кремния SiOz (рис. 6.1а);
• нанесение па слой диэлектрика фоточувствительного
слоя — фоторезиста (рис. 6.16);
• наложение (при контактной фотолитографии) на слой
фоторезиста фотошаблона, который отображает соот-
ветствующую часть топологической схемы ИМС, на-
пример размеры, форму и взаимное расположение
эмиттеров всех транзисторов, которые должны быть
сформщюваны на данной пластине; в таком случае
Фст<ж>«зист
-&0,
S>
б Фоторезист
РмС. в.1
Основные этапы контактной фотолитографии
фотошаблон представляет собой непрозрачную пласти-
ну с прозрачными участками, дублирующими форму
и местоположение будущих эмиттеров (рис. 6.1в);
экспонирование фоторезиста (в простейшем варианте
видимым или ультрафиолетовым светом); экспонирова-
ние изменяет скорость последующего растворения фото-
резиста в специальном травителе (на рис. 6.1е экспони-
рхзвяние отображено системой стрелок); кроме контакт-
ной существуют и другие методы литографии (см. п. 8.3);
• удаление фотошаблона;
• проявление (травление) фоторезиста; участки, под-
вергнутые воздействию света, вытравливаются до слоя
окисла (рис. 6.1г);
• вытравливание отверстий («окон») в слое диэлектри-
ка через отверстия в фоторезисте (1 и 2 на рис. 6. Id);
• удаление фоторезиста (рис. 6.1е).
11олученные окна в диэлектрике используются для фор-
мирования соответствующих элементов на пластине, напри-
мер эмиттеров всех транзисторов. Если данный элемент фор-
мируется диффузией примесей, то вещество диэлектри-
ческого слоя выбирается так, чтобы скорость диффузии
данной примеси в нем была значительно меньше, чем в крем-
нии. В таком случае легированными окажутся лишь участ-
ки кремния, не укрытые слоем диэлектрика. Диффузию
128 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Otri'KUt е елыьшкотт*
большинства типичных доноров и акцепторов в кремние-
вой технологии хорошо блокирует диоксид кремния (SiO2).
Наименьший размер элемента ИМС определяется воз-
можностями литографии. Разрешающая способность ли-
тографии ограничивается как техническими, так и физи-
ческими факторами. Принципиальные физические огра-
ничения связаны главным образом с явлением дифракции
излучения на деталях фотолитографического рисунка при
экспонировании (см. п. 8.3.2). Дифракционное размытие
изображения отверстия тем меньше, чем меньше длина
волны используемого излучения. Оптическая литография
обеспечивает получение элементов ИМС с размерами
до -0,5 мкм. Использование ультрафиолетовых лучей па
зволяет сместить этот предел до -0,1 мкм. Рентгена
литография сдвигает указанный предел в нанообласть
(см. рис. 6.4).
Аналогичные возможности открывает электронно-лу-
чевая литография и литография с использованием пото-
ков ускоренных ионов. В электронно-лучевой и ионной
литографии практически нет дифракционного предела, так
как длина волны де Бройля для электронов и ионов, дви-
жущихся с достаточно большими скоростями в пучках час-
тиц, падающих на образец, при литографии много меньше
деталей шаблона. Напомним, что длина волны де Бройля
(микрочастицы) уменьшается с увеличением скорости и
массы используемых частиц (см. формулу (4.4)).
Рассмотренные виды литографии используются и со-
вершенствуются в наноэлектронике. Вопросы использо-
вания различных методов литографии с наноразрешени-
ем излагаются в следующем параграфе и последующих
главах (см. п. 8.3).
6.8.
О ПРЕЕМСТВЕННОСТИ ЭТАПОВ
РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ
За предыдущие сто лет сменили друг друга три поколе-
ния электроники, зародилась и успешно развивается нано-
электроника (см. п. 4.2). Каждое новое поколение электро-
ники всегда рождалось в муках неразрешимых проблем,
Уо«т» 3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 129
возникавших в процессе развития предыдущего этапа элек-
троники. Те особенности предыдущего поколения электро-
ники, которые приводили к указанным проблемам, отбра-
сывались, использовались принципиально новые подходы.
Тем не менее, каждое повое поколение электроники акку-
мулирует все прежние научные и инженерные находки,
способствующие ее дальнейшему развитию. В технике не
разрушают старое «до основания ». Новое строят не на раз-
валинах старого, а гармонично сочетают революционные
изменения С эволюционным развитием. Переход от старо-
го к новому характеризуется глубокой преемственностью
не только в деталях. Например, все виды электроники —
ламповая, полупроводниковая, интегральная - использу
ются, в конечном итоге, для переработки информации.
В этом смысле все поколения электроники характеризу
ются абсолютной преемственностью. Изменяются объе-
мы, надежность, помехозащищенность, скорость и методы
переработки информации, но сам факт ее переработки ос-
тается общей и неизменной целью любой электроники. Та
же цель стоит и перед наноэлектроникой.
Далее, все поколения электроники черпали идеи из
открытий естественных наук (в основном физики) и
опирались на строгие математические теории. Эта база
сохраняется и в наноэлектронике.
Вспомним теперь, что наноэлектроника родилась в не-
котором смысле из принципиальных ограничений, возник-
ших на пути микроминиатюризации элементов ИМС. Тео-
ретически было ясно давно, а экспериментальные исследо-
вания последних лет подтвердили, что характер процессов,
происходящих в элементах, соизмеримых с длиной волны
де Бройля, принципиально изменяется. Они перестают ра-
ботать как «классические» полупроводниковые приборы.
Возникают так называемые размерные эффекты. Эти эф-
фекты устанавливают абсолютный (физический) предел
традиционному пути развития электроники. Однако эти же
эффекты открывают широкую перспективу развития па-
ноэлектроники на новых принципах, что подробно рассмат-
ривается в главе 7. Таким образом, развитие микроэлек
тропики создало основу для наноэлектроники и привело к
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
130 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Bordexu •
Рж.в.2
Упрощенная схема
полевого транзисто
ра е индуцированным
каналом п типа
(слой подмтворного
диэлектрика
заштрихован)
ускорению исследований электронных свойств нанораз-
мерных объектов. Налицо прямая преемственность меж
ду нано и микроэлектроникой.
Рассматриваемая преемственность имеет место и в ча-
стных случаях. Рассмотрим их на примере развития тех-
нологии формирования быстродействующих полевых тран-
зисторов в составе ИМС. Простейшая структурная схема
полевого транзистора с индуцированным каналом изобра-
жена на рис. 6.2. Транзистор этого типа функционирует
благодаря возникновению индуцированного проводящего
канала (инверсионный л-слой) под действием электриче-
ского поля, создаваемого управляющим потенциалом на
затворе. Быстродействие таких транзисторов повышается,
в частности, с уменьшением длины канала транзистора L и
толщины подзатворного слоя диэлектрика Л. Уменьшение
длины канала достигается использованием при литогра-
фии излучения со все меньшей длиной волны (см. п. 6.7).
Минимальная величина L, а следовательно и макси-
мальное быстродействие транзистора зависят от его раз-
мера 8. Размер транзистора в плане (топологический раз-
мер) определяется возможностями литографии. Параметр,
характеризующий этот размер, называется минимальной
топологической (или проектной) нормой технологическо-
го процесса. Например, при проектной норме 6 = 0,13 мкм
такой размер имеет полевой транзистор, а длина канала L
может быть уменьшена до 0,07 мкм (70 нм).
Чем меньше проектная норма, тем больше транзисто-
ров может разместиться на чипе. На основе статистиче-
ской обработки данных об увеличении числа транзисто-
ров на чипе в период с 1959 по 1965 г. Мур1 установил, что
' Гордон Мур — один из основателей корпорации Intel; п настоящее
и;>емя — npr.-седптель совета директоров этов корпорации.
Чаги» .1 ОСНОВЫ НАНООЛГ.КТРОНИКН
«число транзисторов на полу-
проводниковом кристалле уд-
ваивается примерно каждые
два года» (закон Мура). Сле-
дует помнить, что закон Мура
не имеет естественнонаучной
основы, алишьфиксирует раз-
витие технологии изготовле-
ния ИМС в прошлом. Поэтому
он не может служить опо]ЮЙ
для обоснованного прогноза
темпов этого развития в буду-
щем. Указанные темпы для
разных транзисторов в соста-
ве различных ИМС, изготав-
ливаемых по неодинаковой
технологии, заметно разли-
чаются. Эго видно из рис. 6.3.
На рис. 6.4 показано, как
со временем изменялась топо
логическая (проектная) норма
для элементов ИМС. На рисун-
ке видно, что за период с 1960
по 2003 гг. размер элемента
уменьшился более чем в 100
раз. После 1990 г. микро-
электроника преодолела мик-
ронный рубеж, а после 2000 г.
элементы ИМС приобрели на-
номасштабы.
На нижней части прямой
на рис. 6.4 кружками отме-
чены значения 8. прогнози-
руемые специалистами кор-
порации Intel для массового
годы
Рас. 6.3
Изменение по /одам числа (N)
полевых ( А, и биполярных
(О. А ) транзисторов в ИМС
памяти ( А,Д и логики
f . О; (верхняя группа точек
относится к вариациям
процессоров Intel Pentium)
Pae. в.4
Уменьшение по годам проектной нормы элемента ИМС:
пунктирное продолжение прямом прогноз до 2011 г.; горизонтальные
линии слева — длины волн излучения, используемого для литографии.
132 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ ««Л.и.гцииии"»
производства ИМС: в 2007 г. 8 — 45 нм, в 2009 г. — 32 нм и
в 2011г. — 22 нм. При указанных значениях 8 длина кана-
ла полевого транзистора L может иметь значения, равные
примерно 20, 15 и 10 нм соответственно (см. звездочки на
рис. 6.4). Таким образом, в ближайшие годы классическая
микроэлектроника обеспечит производство ИМС на осно-
ве схемных элементов, топологические размеры которых
приближаются к середине нанообласти (заштрихованная
область на рис. 6.4).
Следует отметить, что минимальные структурные раз-
меры элементов ИМС уже давно преодолели верхнюю гра-
ницу нанообласти и в настоящее время приближаются к
ее нижней границе (рис. 6.5). Толщина Л подзатворного
диэлектрического слоя составляет 1,4 нм (или б атомных
слоев) у полевых транзисторов процессоров компании
АМТ); Л = 1,2 нм в процессорах компании Intel. При раз-
ности потенциалов на таком слое в 1 В напряженность
поля в нем составляет не менее 107 В/см, что-выше про-
бивного напряжения большинства диэлектриков. Даль-
нейшее уменьшение h в полевых транзисторах, функцио-
нирующих по «классическому» механизму, вряд ли воз-
можно.
Преемственность нано- и микроэлектроники основы-
вается не только на применении процесса литографии, но
и на использовании в технологии ИМС способов создания
объектов по принципу «снизу вверх» и «сверху вниз», а
также процессов самоорганизации, как, например, в уже
упомянутой эпитаксии (см. п. 6.5).
Однако микроэлектроника стимулировала самые су-
щественные разработки в области наноэлектроники не
столько своими успехами, сколько трудностями, возни-
1И0
годы
Рис. ел
Уменьшение по годам
толщины подмтоор
ною диэлектрика
полевого транзистора
Чает» 3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 1S3
кающими при уменьшении микроэлектронных элементов
и приближении к физическому пределу миниатюризации
полупроводниковых ИМС. Для преодоления этих трудно-
стей потребовались глубокие физические исследования
электронных, оптических и магнитных свойств нанораз-
мерных объектов, а также процессов, с помощью которых
можно создавать эти объекты. Обзор достижений, полу-
ченных на этом пути, дан в следующем параграфе.
Наконец, отметим, что наноэлектроника переживает
в настоящее время такую же «болезнь роста», какую мик-
роэлектроника переживала в период с 1958 по 1970 it. Этот
период характеризовался жесткой конкурентной борьбой
между разными потенциально перспективными направле-
ниями развития интегральной электроники. К ним отно-
сятся: пленочная, твердотельная, ионная, полупроводни-
ковая, диэлектрическая, магнитная, сегнетоэлектриче-
ская, акустическая, оптическая и другие направления
электроники. В результате конкурентной борьбы были, во-
первых, найдены эффективные компромиссные решения,
во-вторых, наиболее перспективные отрасли электроники
нашли свои области применения. Компромиссом стало,
например, объединение пленочной и твердотельной элек-
троники. Теперь доминируют так называемые совмещен-
ные ИМС. В этих ИМС некоторые элементы (в основном
пассивные и соединительные) изготавливаются в пленоч-
ном исполнении, а другие (активные) — в твердотельном.
Опыт показал, что конкурентную борьбу выдерживает та
электроника, которая допускает создание высокоэффек-
тивных массовых технологий, обеспеченных ресурсами.
Например, в микроэлектронике — это интегральная твер-
дотельная кремниевая электроника. Она может обеспе-
чить любые масштабы производства, так как кремний со-
ставляет около 30% земной коры.
Аналогичным образом в настоящее время в наноэлек
тронике разрабатываются несколько потенциально пер-
спективных направлений развития — одяоэлектроника,
молекулярная электроника и другие (см. главу 7); иссле-
дуются прототипы электронных устройств в рамках ка-
ждого из направлений. Наверняка и в нанотехнологиях
и опубликовал на сайте' Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
Чогт» 3. ОСНОВЫ НАНООЛЕКТГОНИКИ
136
134 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Hanbnirf « см-иоо иност»
произойдет отбор ограниченного числа наиболее эффек-
тивных вариантов. В процессе этого отбора, несомненно,
будет учтен опыт развития микроэлектроники.
В процессе (шзвития микроэлектроники возникла и
стала весьма серьезной так называемая «тирания межсо-
единений» (см. п. 4.2). В наноэлектронике проблема меж-
соединений возникла уже на первых этапах становления
этого направления электроники.
Существенно, что при развитии микроэлектроники
появилась потребность в глубокой интеграции знаний раз-
личных направлений фундаментальных наук и техники.
В наноэлектронике эта потребность не только сохраняет-
ся, но и усиливается. Органическая взаимосвязь микро- и
наноэлектроники заложена в ГОСах по микроэлектрон-
ным специальностям, в которых предусматриваются со-
ответствующие учебные курсы, например «Процессы мик-
ро- и наноэлектроники».
6.9.
КРАТКИЙ ОБЗОР
НОВОЙ НАУЧНОЙ БАЗЫ
НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
Классическая микроэлектроника осваивала нанооб-
ласть в основном «геометрически». Принципы функцио-
нирования элементов ИМС при этом оставались неиз-
менными. В современной наноэлектроникс эти принци-
пы существенно модифицированы. Используются иные
физические процессы, лежащие в основе функциониро-
вания электронных устройств, способы их получения, ме-
тодика исследований. В настоящем параграфе перечисле-
ны некоторые перспективные направления развития на-
ноэлектроники. Подробнее эти вопросы рассматриваются
в главах 7 и 8.
В окружающем мире всегда в изобилии существовали
наночастицы. По одной из правдоподобных версий, в на-
чале эры вещества (-14 млрд лет назад), при охлаждении
расширяющейся Вселенной, преобладавший во Вселенной
водород образовывал кластеры («снежинки») наноразме-
ров. Рассеяние в пространстве углерода и кремния при
взрывах сверхновых (-5 млрд лет назад) привело к обра-
зованию космической пыли, наночастицы которой взаи-
модействовали между собой, с излучением, с полями, вно-
ся существенный вклад в динамику межзвездной среды.
С появлением жизни на Земле (-4 млрд лет назад) роль
наноструктур стала массовой и определяющей. Например,
структурные элементы клетки имеют наноразмеры.
Человек в своей деятельности использовал наночасти
цы давно (неосознанным образом). Так, уже в начале на-
шей эры было создано художественное стекло, окраска
которого определялась наличием в нем наночастиц сереб-
ра и золота.
Первое научно обоснованное указание на важность ис-
следований и разработок в области нанообъектов было
дано американским физиком, нобелевским лауреатом Ри-
чардом Фейнманом. Поэтому Фейнмана называют «отцом
нанотехнологии». В 1959 г. влекции «Внизу полным-пол-
но места: приглашение войти в новый мир физики», про-
читанной в Калифорнийском технологическом институ-
те, Фейнман обратил внимание на то, что законы физики
не запрещают манипулировать отдельными атомами, ук-
ладывая их поштучно в нужном порядке, создавая ве-
щественные структуры с заданными свойствами. Однако
уровень развития науки и техники 1950-х гт. не позволял
реализовать такие технологии. Нанотехнологии стали
входить в электронику и другие области техники лишь в
конце 80-х гг. прошлого столетия.
В различных сферах науки и техники возникли свои
причины и свои методы продвижения в нанообласть. В на-
стоящий обзор включены достижения естественных наук,
заложившие фундамент современной наноэлектроники.
В 1962 г. Л. В. Келдыш показал возможность создания
в кристалле особой периодической структуры, которая
называется сверхрешеткой. Сверхрешетка — это кри-
сталлическая структура, обладающая помимо периоди-
ческого потенциала, свойственного кристаллической ре-
шетке. дополнительным потенциалом, период которого
существенно превышает атомарные размеры, но соответ-
ствует ианомасштабам. Сверхрешетки могут создаваться
136 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Цепкие в сяг»шиы<осм|.
в проводниковых, магнитных и полупроводниковых ма-
териалах. Наиболее полно исследованы полупроводнико-
вые сверхрешетки, состоящие из чередующихся наносло-
ев вещества, различающихся по составу. В этом случае
сверхрешетки могут рассматриваться как одномерные сис-
темы потен! шальных ям, разделенных сравнительно уз-
кими потенциальными барьерами с заметной туннельной
прозрачностью. На основе сверхрешеток созданы прибо-
ры с отрицательной (N-образной) вольт-амперной харак-
теристикой (см. гл. 5), способные усиливать и генериро-
вать электромагнитные колебания, а также эффективные
светоизлучающие приборы и приборы другого назначения
(см. гл. 7).
В сверхрешетках может проявляться так называемый
резонансный туннельный эффект. Этот эффект состоит
в резком увеличении вероятности прохождения микрочас-
тиц, например электронов, сквозь двух- или многобарьер-
ную структуру, когда исходная энергия частицы совпада-
ет с энергетическим уровнем в смежной потенциальной
яме (резонансный уровень). Этот эффект широко исполь-
зуется в наноэлектронике при разработке сверхбыстродей-
ствующих приборов. Идея использования резонансного
туннелирования для создания быстродействующих при-
боров, предложенная еще в 60-е гг. прошлого столетия,
была реализована лишь в 1970 г. (Л. Всяки) благодаря по-
явлению метода молекулярно-лучевой эпитаксии. В на-
стоящее время молекулярная эпитаксия — самый эффек-
тивный метод наращивания на плоскую подложку слоев
иного состава ннноразмерной толщины. Такие слои явля-
ются квантовыми ямами для электронов.
В 1986 г. К. К. Лихаревым были теоретически пред-
сказаны кулоновская блокада туннелирования и однозлек
тронное туннелирование, т. е. прохождение электронов
через туннельный барьер по одном у. Эти эффекты подтвер-
дились экспериментально. На их основе созданы одноэлек-
тронные транзисторы и элементы памяти (см. гл. 7).
Вслед за сверхрешетками были теоретически описа-
ны и получены на практике одномерные (малые в двух
измерениях) и нульмерные (малые в трех измерениях)
а основы НАНОЗЛЕКГРОНИКИ 137
наноструктуры, называемые квантовыми проволоками
(нитями) и квантовыми точками соответственно. В каж-
дом слое сверхрешетки (двухмерная потенциальная яма)
движение электронов ограничено лишь в одном измере-
нии и реализуется в этом измерении за счет туннельного
эффекта. В квантовой нити движение электронов огра-
ничено в двух измерениях (нить наноразмерной толщи
ны). В квантовых точках движение электронов ограни-
чено в трех измерениях (наноразмерный кристаллик).
В последнем случае реализуется предельный вариант раз-
мерного квантования, когда модификация электронных
свойств наиболее выражена. Энергетический спектр элек-
трона, принадлежащего квантовой точке, дискретен, по-
добно энергетическому спектру электрона в изолирован-
ном атоме. Однако реальная квантовая точка может со-
держать многие тысячи атомов. Например, квантовая
точка в арсениде галлия размером в 14 нм содержит бо-
лее 10ь атомов.
Квантовые ямы, квантовые нити и точки открывают
широкие возможности создавать различные наноэлек-
тронные приборы (см. гл. 7).
Еще одним важным для наноэлектроники достижени-
ем явилось открытие особых молекул, образованных ато-
мами углерода: нанотрубок и фуллеренов. Фуллерен объе-
диняет 60 (Сео) ил и более (Сто, С7в, Сяо>Ом) атомов углерода.
Фуллерен Сед построен из 12 пентагоннльных (пятиуголь-
ных) и 20 гексагональных (шестиугольных) симметрично
расположенных граней, образующих форму, близкую к
шару диаметром ~1 нм. Открытие фуллеренов явилось в
некоторой степени случайным результатом исследований
природы межзвездной среды. Ученые воспроизвели усло-
вия, в которых находятся пары углерода во внешних сло-
ях особых звезд (красные гиганты), и в результате зафик-
сировали процесс образования фуллеренов Сед в подобных
условиях.
Фуллерены могут быть объединены силами Ван-дер-
Ваальса в кристалл со значительными пустотами между
фуллеренами. Размещение в этих пустотах атомов гцслоч
• пых элементов превращает первоначал ьно диэлектрические
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N
138 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. ВлгЛгми • слщивлмгест»
свойства фуллереновых кристаллов в полупроводниковые,
а при низких температурах — в сверхпроводящие.
После обнаружения (1984-1985 гг.) фуллеренов нача-
лись интенсивные поиски других форм углеродных нано-
частиц. В 1991 г. были обнаружены трубчатые структуры
из атомов углерода — углеродные нанотрубки. Они обра-
зуются свертыванием так называемой гексагональной плос-
кости решетки графита, состоящей из шестигранных яче-
ек, в вершинах которых располагаются атомы углерода.
Углеродные нанотрубки могут быть одно- и многослойны-
ми. Их диаметры изменяются в пределах от -0,4 (одно-
слойные) до 100 нм (многослойные), длины — достигают
100 мкм. Углеродные нанотрубки обладают необычными
электрическими, механическими, магнитными и элек-
тронными свойствами; эти свойства можно модифициро-
вать технологическими воздействиями. Углеродные на-
нотрубки находят многочисленные применения на прак-
тике (см. гл. 7). В настоящее время научились получать
нанотрубки и из других материалов.
В 1980-х гг. были открыты магнитные полупроводни-
ки. Список таких материалов растет, все детальнее иссле-
дуются их свойства. Магнитные полупроводники — пер-
спективные материалы для приборов спинтроники. Спин
троника — область наноэлектроники, в которой наряду
с зарядом электрона используется для хранения и обра
вотки информации его спин. В настоящее время обработ-
ка информации производится полупроводниковыми ИМС,
а для ее хранения массово используются твердые магнит-
ные диски. Ферромагнитные полупроводники позволяют
объединять процессы обработки и хранения информации.
К этой области примыкает открытое в 1988 г. гигант
скос магнитосопротивление — наноразмерный эффект
в металлах и полупроводниках, связанный с наличием
спина у электронов. Этот аффект проявляется, например,
вснижении сопротивления последовательно чередующих-
ся наноразмерных слоев магнитных и немагнитных ме-
таллов под действием внешнего магнитного поля. Он ис-
пользуется в считывающих магнитных головках для маг-
нитных дисков, в элементах памяти.
4<кя» 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 139
Вблизи нижней границы нанообласти существуют ма-
териальные структуры, называемые молекулами (см. схе-
му на рис. 2.2). Известно более З ЛО5 неорганических и
около 7 10® органических молекул. Среди громадного чис-
ла различающихся по составу и структуре органических
молекул обнаруживается достаточно много таких, кото-
рые в определенных условиях проявляют свойства про-
водников, диэлектриков, магнитных материалов, прием-
ников и излучателей света, диодов, транзисторов, элемен-
тов памяти. На основе этих предпосылок зародилась идея
создания молекулярной электроники. Уже существуют
простейшие молекулярные схемы (см. гл. 7). Постепенно
решается сложнейшая задача создания способов присое-
динения контактов к отдельным молекулам (см. гл. 8).
Специалисты предсказывают появление ~ в 2015 г. моле
кулярных компьютеров. В США вкладываются большие
средства в развитие этой области. Например, Агентство
перспективных оборонных исследований развернуло боль-
шую программу по созданию элементной базы молекуляр-
ного компьютера. Уже разработано несколько гипотети-
ческих схем. Если каждый транзистор будет состоять из
одной молекулы, то процессор из 109 таких транзисторов
будет размером с песчинку. При этом производительность
его возрастет в сотни или даже тысячи раз по сравнению с
современными, а энергопотребление будет очень малым.
Следует отметить, что хотя теоретические основы мо-
лекулярной электроники хорошо разработаны и созданы
действующие прототипы многих элементов, на пути ре-
ального изготовления молекулярных схем стоят большие
сложности, и пока молекулярная электроника — только
одно из перспективных направлений наноэлектроники.
Еще одно из перспективных направлений наноэлек-
троники связано с так называемыми квантовыми вычис-
лениями (с созданием квантовых компьютеров).
В обычных цифровых ЭВМ информация представля-
ется в виде последовательности символов «0» и «1». Бит
информации соответствует выбору одной из этих цифр.
Последовательность N цифровых битов позволяет предста-
вить любое число в интервале от 0 до 2N-1.
140 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ ВлгЛгниг »
В квантовых вычислениях оперируют квантовыми
битами; кратко — кубитами. Кубит — это волновая функ-
ция состояний (см. п. 4.3) квантовомеханической двух-
уровневой системы (например, состояний электронного
спина ±1/2). Один кубит может передать только один бит
информации. Но система из N двухуровневых квантовых
элементов может находиться в суперпозиции из 2N состоя-
ний («Суперпозиция состояний» — понятие квантовой
механики, отражающее одно из важнейших свойств объ-
ектов микромира).
В квантовых компьютерах информация передается,
хранится и обрабатывается в виде волновой функции N ку-
битов. Если последовательность N цифровых битов может
задать одно из 2N чисел, то последовательность N кубитов
задает все эти 2N чисел одновременно.
Поэтому с помощью квинтовых компьютеров можно
решать более сложные задачи, чем с помощью обычных.
Объем и скорость операций с информацией во много раз
увеличивается не только благодаря уменьшению времени
одной операции, но и благодаря распараллеливанию вы-
числений: выполняется параллельная обработка сразу всех
амплитуд 2N состояний, тогда как в классическом компью-
тере такая операция потребовала бы 2N шагов. Например,
квантовый компьютер с регистром из 30 кубитов может
описывать систему из 2м я 1О10 элементов, тогда как обыч-
ный компьютер не сможет вычислить будущее системы из
30 электронов в потенциальной яме, если задано началь-
ное состояние и силы взаимодействия частиц. Такие зада-
чи могут стать актуальными в связи с необходимостью
моделирования электронных процессов в приборах нано-
электроники, в том числе молекулярных схем. Одно из
интересных направлений — использование в качестве со-
стояний кубитов двух спиновых электронных состояний,
например в квантовых точках в гетороструктурах АЯВ5.
11ока квантовые компьютеры — гипотетические устрой-
ства. Разработаны квантовые алгоритмы вычислений для
некоторых простых задач (например, разложение л-знач-
ного числа на простые множители) и созданы компьютеры
с небольшими регистрами из нескольких кубитов.
Част» 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 141
Многие научные и технические разработки, откры-
вающие перспективы создания наноэлектронных элемен-
тов, функционирующих на новых принципах, были бы
трудно реализуемыми на практике, если бы не сопрово
ждались разработками соответствующей исследователь-
ской и технологической аппаратуры. К такой аппарату-
ре относятся прежде всего сканирующий туннельный
микроскоп (СТМ) и сканирующий атомно-силовой мик-
роскоп (АСМ).
Сканирующий туннельный микроскоп (1981) дает изо-
бражение металлических и полупроводниковых поверх-
ностей с атомным разрешением. Он позволяет перемещать
отдельные атомы вдоль поверхности, переносить их и по-
мещать в заданные точки, производить поштучную уклад-
ку атомов и молекул, синтез и разложение отдельных мо-
лекул. Разработаны новые методы исследования морфо-
логии поверхностей и распределения физических свойств
поверхностей с атомным разрешением, а также методы
локальной обработки и модификации поверхностей в мас-
штабе единиц нанометров.
Сканирующий атомно-силовой микроскоп (1986) —
это многофункциональный инструмент. Он дает, как и
СТМ, изображение поверхностей с атомным разрешени-
ем. Используется для исследования морфологии поверх-
ностей, распределений приповерхностных силовых и тем-
пературных полей, распределений физических свойств
поверхностей и для исследования поверхностных процес-
сов (напри мер, травления). Используется, как и СТМ, для
локальных модификаций поверхностей в нанометровом
масштабе. На основе АСМ ведутся разработки ультра пл ог-
ней записи информации и сверхчувствительных сенсоров.
Сканирующие зондовые микроскопы играют такую
большую роль в нанотехнологиях, что их называют глаза-
ми и пальцами нанотехнологий.
В настоящей главе перечислены далеко не все достиже-
ния науки, позволяющие заложить основы современной
наноэлектроники. Однако перечисленного достаточно,
чтобы увидеть обилие и значимость таких достижений.
Еще больше имеется частных технических достижений,
Отредактировал и опубликовал на сайте : Р R Е S S I ( Н Е R S О N
142
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Вьлйми' а гиачмаыих-аи
nmuulMniBifausLWHUiHiininnniNUMiiiiiflinnnrMruiifliBniiiai
которые позволяют во многих случаях достаточно быстро
воплощать научные разработки в практику (см. гл. 7 и 8).
В заключение отметим, что рассматриваемые в данной
главе направления науки относятся к наиболее актуаль-
ным. В соответствии с индексом актуальности Хирта-Бэн-
кса (h-b-индекс) эти направления занимают первые пози-
ции. располагаясь в порядке: углеродные трубки, нано-
проводники, квантовые точки, фуллерены, гигантский
магниторезистивный эффект, М-теория(микромир), кван-
товые вычисления. Индекс h-b определяется скоростью
публикаций статей в рассматриваемом направлении, на
каждую из которых имеется не менее 10 ссылок.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Как изменялся по годам минимальный размер элементов ИМС?
2. Перечислите и поясните основные этапы изготовления ИМС.
3. Какими особенностями характеризуются методы получения по-
лупроводниковых материалов?
4. Какие требования предъявляются к полупроводниковым пла-
стинам для ИМС?
5. Что такое эпитаксия, элита ксиальв ые структуры? Какова роль
эпитаксиальных структур в технологии ИМС на кремнии?
6. Охарактеризуйте диффузионный метод формирования элемен-
тов ИМС.
7. Охарактеризуйте метод получения элементов ИМС с помощью
ионного легирования.
8. Что такое фотолитография? Какие виды литографии вы знаете?
9. Укажите методы формирования элементов ИМС, которые мо-
гут быть использованы в наноэлектронике.
10. Каковы признаки преемственности нано- и микроалектровики?
11. Дайте краткий обзор новой научной базы каноэлектроники.
•7-
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
7.1.
КВАНТОВОРАЗМЕРНЫЕ
ЭФФЕКТЫ
Размерный эффект - зависимость свойств тела от его
размера. Этот эффект возникает, если протяженность
тела, по крайней мере в одном измерении, становится
сравнимой с некоторой критической величиной I*. Для
классических размерных эффектов 1К — классическая ве-
личина, например диффузионная длина, длина свободно-
го пробега электронов и т. д.
Квантовые размерные эффекты (в электронных струк
турах) имеют место тогда, когда роль длины (к играет
существенно квантовая характеристика — длина вол
ны де Бройля X для электронов, т. е. когда размер струк
туры хотя бы в одном измерении имеет порядок X. Кван-
товоразмерные эффекты обусловлены волновой природой
электронов.
В наноразмерных областях поведение электронов оп
ределяется отражением электронных волн от границ раз-
дела таких областей, интерференцией электронных волн,
прохождением волн сквозь потенциальные барьеры. Эти-
ми явлениями объясняются квантоворазмерные эффекты
в наноструктурах, например квантование энергии элек-
тронов, пространственно ограниченных в своих переме-
щениях (см. п. 4.5), прохождение электронов сквозь на-
нометровые диэлектрические слои, квантование сопротив-
ления нанопроволок и др.
Длина волны де Бройля для электрона, движущегося
в кристалле со скоростью р, имеет значение:
144
НАНОТЕХНОЛОГИЯ П ЭЛЕКТРОНИКЕ Вледеыиг «
Vaca» 3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
14.5
? h Л
^2т‘Е„т '
7.2.
ПРОСТЕЙШИЕ ВИДЫ
НИЗКОРАЗМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ
гдет*- эффективная масса электроне (см. п. 4.13), Ет11 —
его кинетическая энергия.
Рассмотрим свободные электроны в кристаллах. Сво-
бодными считаются электроны, которые могут не только
перемещаться по кристаллу, но и изменять свою энергию
под внешним воздействием.
В металлах при не слишком высоких температурах сво-
бодными можносчитать только электроны с энергиями вбли-
зи уровня Ферми Ег. Поэтому для свободных электронов
Ь'км» а-Ь7“ЗэН-8 10 **Дж.
В металлах
т’= то - 9,1 1(ГЯ1 кг,
где то — масса электрона. Подставляя значения и то в
формулу для X, получим >. » 0,55 им — порядок размера по-
стоянной кристаллической решетки.
В полупроводни ках Екая *kT — 0,026 эВ (при комнатной
температуре). Эффективная масса электрона в различных
полупроводниковых материалах изменяется в широких
пределах. Например, для кремния т' - 0,92то, для GaAs
т’ = О,О68то, для висмута (полуметалл) т^ = О,О1тпо, сле-
довательно, для этих материалов X - 8; 30; 80 нм соответ-
ственно.
Так как длина волны де Бройля для свободных элек-
тронов в полупроводниках значительно больше, чем в ме-
таллах, то квантоворазмерные эффекты технологически
легче осуществить на полупроводниках. Поэтому иссле-
дование этих эффектов и формирование наноструктур для
применения в электронике проводится преимущественно
на полупроводниках.
Следует отметить, что квантоворазмерные эффекты
можно наблюдать при условии, что средняя длина свобод-
ного пробега электронов превышает размер рассматривае-
мой области, ее границы имеют высокую степень совер-
шенства, а отражения волны де Бройля от границ можно
считать зеркальными.
7.2.1.
КВАНТОВАЯ ЯМА
Квантовая яма — двухмерный (2D)1 объект. Это тон-
кий слой кристалла, толщина которого d соизмерима с
длиной волны де Бройля (d ~\). Система электронов в та-
ком слое называется двухмерным (или 2D) электронным
газом. Фрагмент слоя представлен на рис. 7.1а. Движе-
ние электронов в этом слое ограничено отрезком dy в на-
правлении у и не ограничено в направлениях х и г.
Двигаясь в направлении у, электрон не способен по-
кинуть слой, так как его работа выхода (~4,5 эВ) много
больше энергии теплового движения (-0,026 эВ при ком-
натной температуре). Поэтому движение в направлении у
можно рассматривать как движение в одномерной беско-
нечно глубокой прямоугольной потенциальной яме ши-
риной dy (рис. 7.16).
Примерами квантовых ям с 2/>-электронным газом
могут служить проводящие каналы в униполярных тран-
зисторах (МОП-структуры на кремнии) и узкозонные слои
в гетероструктурах из соединений ЛЯВ5 для инжекцион-
ных лазеров.
Системы близкорасположенных параллельных кван-
товых ям, между которыми возможно туннелирование
электронов, составляют сверхрешетки (см. п. 6.9).
Гжг.7.1
Схематическое пред
етавление фрагмента
двухмерного (2D)
нанообъгкта. протяжен
ноете которого ограяиче
на вдоль оси у (а).
и потенциальной ялы
для электронов в этом
объекте (б)
* От английского слова dimension — размер, измерение (0/> —
нульмерный, ID — одномерный, 2D — двухмерный, 3D — трехмер-
ный объект).
и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
14»
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Введены • етыглыюст.
7.2.2.
КВАНТОВАЯ НИТЬ
Квантовая нить (проволока) — одномерный (Ю) объ-
ект. Движение электронов ограничено вдоль осей у н г
размерами d* и d, соответственно и не ограничено вдоль
оси х(рис. 7.2). Сечение квантовой проволоки может быть
и иным, чем это изображено на рис. 7.2. Потенциальная
яма для свободных электронов в нити двухмерна.
Рис. 7.2
Схематическое представление одномерного накообъгкта (а) и
ихображгниг квантовых проволок толщиной 2 4 нм в виде окислен
ных медных проволок на поверхности молибдена (б)
7.2.3.
КВАНТОВАЯ ТОЧКА
Квантовая точка — нульмерный (0D) объект (рис.
7.3а). Движение электронов ограничено в трех измерени-
ях — х, у, г. Пример — нанокристаллики одного материя-
Схематическое представление одномерного наноовьекта (а)
и имЮражение германиевой квантовой точки на поверхности кремния,
полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа (б);
(длина стороны основания пирамиды -10 нм. высота — мм )
Чипь 3 ОСНОВЫ НАНОЭЛККТРОНИКИ 147
ла на поверхности растущего эпитаксиального слоя дру-
гого материала на рис. 7.36. Форма квантовой точки мо-
жет отличаться от кубической.
Потенциальная яма для квантовой точки трехмерна.
7.3.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ
СПЕКТР ЭЛЕКТРОНОВ
И ПЛОТНОСТЬ ЭЛЕКТРОННЫХ СОСТОЯНИЙ
В НИЗКОРАЗМЕРНЫХ ОБЛАСТЯХ
7.3.1.
ВАЖНЕЙШИЕ КНАНТОНОМЕХАНИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕЛ
Энергетический спектр электронов Е и плотность кван-
товых состояний g(E) — важнейшие характеристики объ-
екта, определяющие его электронные свойства и |>еакцию
на внешние воздействия.
Энергетический спектр — это совокупность возмож-
ных значений энергии частицы в данных условиях. Если
энергия квантуется, то энергетический спектр называет-
ся дискретным (квантовым), если может принимать не-
прерывный ряд значений — спектр называется сплошным
(непрерывным).
Плотность состояний g(E) — это число квантовых
состояний электронов на единицу объема, площади или
длины (в зависимости от размерности объекта), отне-
сенное к единичному интервалу энергий. Согласно этому
определению, плотность состояний
„ dn(E)
*E>—d£-'
где dn(E) — число возможных состояний в интервале
энергий от Е до£ + dE. Знание плотности состояний g(E)
и вероятности их заполнения электронами /(Е) позволя-
ет установить [«определение электронов рассматриваемой
системы по квантовым состояниям и описать электриче-
ские, оптические и некоторые другие свойства системы.
Электроны обладают полуцелым спином. Поэтому вероят-
ность заполнения ими квантовых состояний определяет-
ся статистикой Ферми Дирака и подчиняется принципу
Паули (см. п. 4.3).
148 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ введши/ » специаланкта
Часть 3 ОСНОВЫ НАН03ЛЕКТР0НИКИ
149
7.3.2.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР
ЗР-ЭЛЕКТРОННОГО ГАЗА
____7.3.8.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР
2D ЭЛЕКТРОННОГО ГАЗА
Неограниченный кристалл (3D электронный газ).
Электроны могут двигаться свободно в любом направле-
нии. Энергия электрона
Е
Z/71
где р и h — квазиимпульс и квазиволновой вектор элек-
трона соответственно (см. формулу 4.3).
В пределах эоны проводимости величина Е может при-
нимать практически непрерывный ряд значений (см. п. 4.8).
Расстояние между соседними уровнями в энерютической
зоне~10’22эВ(см. рис. 4.8). Зависимость Е от составляю-
щих волнового вектора (А„ АД вблизи дна эоны прово-
димости представлена на рис. 7.4.
Рве. 7.4
Зависимость энергии
электрона от состав
лякнцих кваэиволнового
вектора в неограничен
ном кристалле
Зависимость плотности
квантсюых состоянии (g)
от энергии (F.) для
электронов в неограни
пенном кристалле
График функ1(ии g(E) (рис. 7.5) — парабола:
£(Е)=Сч/Ё.
Плотность состояний мала у дна зоны (откуда начинается
отсчет £’) и увеличивается с ростом Е. В пределах одной
энергетической эоны функции £’(АХ, Ау, АД и g(E) непре-
рывны. Поэтому электронные свойства неограниченного
кристалла под влиянием внешних воздействий изменяют-
ся непрерывно.
К вантовая яма (2С-алектронный газ). Движение элек-
тронов не ограничено вдольосей х, г и ограничено отрез-
ком dt в направлении оси у (см. рис. 7.1а). Движение в
направлении у может рассматриваться как движение в
одномерной глубокой прямоугольной потенциальной яме
(см. рис. 7.16). Энергия такого движения квантуется и
определяется формулой (4.11), в которой I заменено на du,
am — на т
с Ьгт?пг
" " 2m*d2 ‘
Движение в одномерной потенциальной яме характе-
ризуется единственным квантовым числом п(п — 1,2,...).
Если яма бесконечно глубока, то на ее ширине уклады-
вается целое число чтоописываетгя формулой(4.13):
Иными словами, устойчивыми могут быть только такие
состояния движения электрона, которым соответствует
стоячая волна, образованная падающей и отраженной от
стенок ямы волной де Бройля (пунктирные кривые на
рис. 4.4). Величины Ел называются квантоворазмерны
ми уровнями.
Энергия движений вдоль осей х иг не квантуется и
определяется такими же выражениями, как для свобод-
ной частицы. Поэтому полную энергию электрона можно
представить в виде
Е.^ьЕ.^.
2т’ 2т’
(Принимаем, что величина эффективной массы электро-
на т’ одинакова для движений во всех нмправлепияхДСле-
доштелыю, энергетический спектрэлектрона в квантовой яме
двухмерного нанообъекта дискретно непрерывный. Каждо-
му размерному уровню Е„ соответствует множество возмож
ных значений Е (подзона) за счет свободного движения
электрона вдоль осей х и г. Эта совокупность энергий
и опубликовал на сайте, Р R Е S S I ( Н Е R S О N
150 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введем* • глтмдммст*
Чоги» 3 ОСНОВЫ НАН03ЛККТР0НИКИ
151
составляющих волнового
вектора вдоль направлений
неограниченного движения
электрона (лиг) (а) и
плотности состояния от
энергии (в) для 2D электрон
ного газа в бесконечно глрбо
кой квантовой яме
н взывается двухмерной подзо-
ной размерного квантования.
Зависимости Е(ЛХ, Лж) и у(Е)
приведены на рис. 7.&а.б. Гра-
фик зависимости Е(ЛЖ, Аг) —
система параболоидов; дно
n-го параболоида соответству-
ет уровню Е = Е„.
Зависимость g(E) имеет сту-
пенчаты й характер. Каждая
размерная подзона вносит оди
- лс.
иаковьти вклад, равный —
nh2
в величину плотности состоя-
ний. (Здесь g(E) относится к
единице площади.)
Строго говоря, модель бес-
конечно глубокой прямоуголь-
ной потенциальной ямы спра-
ведлива только для движения
электрона в тон кой пленке при
налоразмерной толщине d. Ин-
дивидуальную протяженную
плоскопараллельную пленку
нанометровой толщины труд-
но реализовать. На практике
в наноразмерных структурах
создаются области, где движе-
ние носителей ограничено в
одном измерении, и можно
считать, что эти носители на-
ходятся в одномерной потен-
циальной яме, как, например,
электроны в нанометровом
слое узкоэонного материала
между двумя слоями широ-
козонного (см. рис. 7.11г). На
рис. 7.7 приведен профиль
потенциальной ямы для элек-
тронов в структуре металл-дизлектрик-полупроводник
(см. рис. 6.2). Аналогичный вид имеет потенциальная яма
для электронов в гетероструктуре GaAl As-GaAs. В подоб-
ных случаях используется приближение треугольной
ямы. Для треугольной потен 1щальной ямы формула (4.11)
неприменима, но вывод о квантовании энергии электро-
нов остается в силе.
7.3.4.
ЭЛЕКТРОННЫЙ ГАЗ
В КВАНТОВОЙ НИТИ (1О-ГАЗ)
Согласно изложенному в п. 7.2.2, энергия электрона,
связанная с движением вдоль осей у и г, должна кванто-
ваться, как в одномерных потенциальных ямах шири-
ной d„ и d, (см. рис. 7.2). Полная энергия электрона равна:
,, h* h2n2 п2 , h2n2 т2
Ле =---+---------------*—
2m’ 2m’ d2 2m’ d2
где m, n - 1, 2, 3,.... т. e. можно записать
2m
Знергетическал диаграмма
для полевого транэистора.
изображенною на рие 6.2.
Средняя ширина потенциала
ной ямы — S-tO нм
где EKK — энергия размерных уровней.
Положение каждого из них зависит от двух кванто-
вых чисел т и л, а также от величин dr, d„. Зона проводи-
мости в квантовой нити разбивается на одномерные подзо-
ны (рис. 7.8а). Плотность состояний на единицу длины у(Е)
имеет ряд резких пиков (рис. 7,86). соответствующих раз-
мерным уровням. Это означает, что большинство электро
нов в подзоне имеет энергии вблизи соответствующего раз-
мерного уровня.
₽«г_7Я
Зависимости
энергии от величи
мы аолмоаого
вектора (а) и
плотности гостом
ний от энергии (в)
для квантовой нити
Ч«т» 3 ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ
153
152 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ, Влгдгкиг •
7.3.5.
ЭЛЕКТРОННЫЙ ГАЗ
В КВАНТОВОЙ ТОЧКЕ
((ЦК ГАЗ >
Энергия свободных электронов должна квантоваться
для движений во всех трех намерениях. Энергетический
спектр электронов в квантовой точке полностью дискре
тен, как у отдельного атома. Энергия
F ? **”* тг пг
",m" 2т’ d* 2т’ d* 2т’ d? ’
где I, т, п = 1, 2, 3, dt, du, d, — размеры области в трех
измерениях (см. рис. 7.3).
Энергетический спектр электронов состоит из отдель-
ных размерных уровней Е|пя. Величина Е(жп зависит от
трех квантовых чисел и размеров d,, dt, d,. График плот-
ности состояний g(E) в квантовой точке имеет так назы-
ваемый Б-образный вид: g(E) = «, если Е — Etm„ (Е совпа-
дает с размерным уровнем); g(E) —> О, если Е # Е^ (Е ле-
жит в промежутке между размерными уровнями).
Функционирование многих приборных структур нано
электроники определяется описанными ранее особенностя-
ми энергетических спектров квантоворазмерных элемен-
тов. Подчеркнем еще раз. что рассмотренное квантование
энергии наблюдается только при размерах объектов поряд-
ка волны де Бройля (хотя бы в одном измерении).
7.3.6.
2Р-ЭЛЕКТРОННЫЙ ГАЗ
В МАГНИТНОМ НОЛЕ
Согласно классическому описанию, свободная заря-
женная частица в плоскости, перпендикулярной вектору
магнитной индукции В, движется по окружности радиу-
са г = ти/Ве. вращаясь с частотой <о — Ве/т, где В = |Д.
В твердом теле электрон испытывает столкновения с ато-
мами решетки. Частота столкновений vCT - г-*, где т — вре-
мя свободного пробега. Говорить о движении электрона
по окружности при включении магнитного поля можно в
случае, когда
Достаточно сильные магнитные поля, для которых выпол-
няются два условия:
Be
2кт
иЛю =
hBe
2пт"
г»кТ,
называются квантующими. Для описания движения в та-
ких полях необходим квантово-механический подход. Ха-
рактер движения частиц в квантующих полях значитель
но отличается от классического, особенно в 20-системах.
Классическая частица движется по круговой траекто-
рии. Как уже отмечалось, для квантовой частицы поня-
тие траектории, вообще говоря, неприменимо, когда она
движется в достаточно ограниченной области. Как пока-
зывает решение уравнения Шрёдингера, движение части-
цы в магнитном поле можно считать в определенной сте-
пени ограниченным (как, например, в потенциальной яме
конечной глубины). Движение в плоскости, перпендику-
лярной вектору магнитной индукции В, можно считать
ограниченным площадкой радиуса r^^h/Be. Энергия
такого движения, как всякого ограниченного движения,
квантуется. Согласно решению уравнения Шрёдингера,
возможные значения энергии
Е„
где т = 0,1, 2 .... Эти значения энергии называются уров-
нями Ландау.
Если вектор В направлен вдольоси г, перпендикуляр-
ной плоскости 20-газа, то возможные значения энергии
движения вдоль оси г — это размерные уровни Еп, а воз-
можные значения энергии движения в плоскости (ху) —
это уровни Ландау Е„.
Полная энергия электронов 20-газа: Е~ Е„ + Ет. Энер-
гия 2О-газа, т. е. макроскопической системы, в магнит-
ном поле полностью квантована (так же, как для атомов,
квантовых точек и других микрообъектов).
Существованием уровней Ландау объясняется кван-
тование так называемого холловского сопротивления
(квантовый эффект Холла). Этот эффект — одно из
и опубликовал на сайте, Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
154
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Bardrnue «
Часть 3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
155
макроскопических проявлений квантовых свойств веще-
ства; он имеет важное прикладное значение. Наблюдает-
ся эффект при очень низких температурах (Т - 1 К) в до-
статочно сильных полях (-5 Тл).
7.8.7.
ПРИМЕРЫ влияния
КВАНТОВОРАЗМЕРНЫХ ЭФФЕКТОВ
НА СВОЙСТВА ВЕШЕСТВЛ
Квантование сопротивления баллистических нано
размерных проводов. Проводимость (G) обычной проволо-
ки равна
где S = кг2 — площадь поперечного сечения, L — длина,
г радиус проволоки, о — удельная электропроводность.
Формула справедлива, если ги L намного больше сред-
ней длины свободного пробега электрона (Х„). В этих ус-
ловиях движение электрона по проводнику носит диффу-
зионный характер, траектория его движения — ломаная
линия (рис. 7.9а).
баллистического проводника (3) и контактом к нему: (If. (2)
Если X™ > L и > г(рис. 7.96). то электрон пролетает
от одного контакта до другого практически без столкно-
вения с атомами кристаллической решетки. Такой режим
движения называется баллистическим. Баллистически
движущийся электрон не испытывает сопротивления сво-
ему движению в объеме проводника.
На рис. 7.10 изображен баллистический проводник 3
квантоворазмерного диаметра, помещений между двумя
металлическими контактами 1 и 2. Предположим, что тем-
пература имеет порядок нескольких градусов Кельвина и
все электроны в контактах на энергетической диаграмме
рис. 7.100 расположены ниже уровней Ферми £Г| иЕ^.
Если между контактами приложить разность потенциа-
лов U, как это показано на рис. 7.100, то энергетические
уровни металла 2 понизятся на величину eU относитель-
но уровней металла 1. При этом Efl - Ерг = eU.
Ток может создаваться только электронами с энергия-
ми в интервале от Ер, ЛоЕГг. Именно эти электроны из
контакта 1 имеют возможность переходить в контакт 2 на
свободные уровни. Если проводник 3(или полупроводник)
между контактами баллистический и имеет кванте во раз-
мерное сечение, то его электроны располагаются в раз-
мерных подзонах (см. п. 7.3.3), причем так, что большин-
ство носителей находится вблизи дна подзон. В переносе
тока могут участвовать электроны подзон в интервале от
до Ehj. Доказано, что каждая подзона дает вклад в об-
щий ток, равный
I - U
‘° h U'
Если в интервале (Ер,; Ер,) находится N подзон, то ток че-
рез контакты равен
^-UN.
п
следовательно, проводимость
а сопротивление
/ _2е*
U h
N,
h 1
2е*' N
Voraw 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
157
15« НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. ВагЭгки» « слечымххх-т*
Таким образом, в отличие от классического проводника,
сопротивление баллистической квантовой проволоки не
зависит от ее длины L.
Число Nопределяется расстоянием между подзонами,
а это расстояние увеличивается с уменьшением сечения
проволоки S. Если постепенно уменьшать диаметр прово-
локи, то из интервала (Еч; Еу,) будут поочередно по одной
уходить размерные подзоны. При уходе каждой подзоны
2с2
проводимость G скачком уменьшается на величину ——.
Л
Когда в интервале (Еу^Е^) не останется ни одной подзо-
ны, проводимость G обратится в нуль.
„2с-2 а
Величина —— называется квантом проводимости,
h
величина «12.9 кОм-
квантом сопротивления.
Фактически квантование сопротивления обусловлено
размерным квантованием энергии. Для наблюдения эф-
фекта квантования сопротивления необходимы достаточ-
но низкие температуры (-1 К). При более высоких темпе-
ратурах скачки проводимости G размываются или исче-
зают, так как тепловое движение в контактах забрасывает
электроны на уровни, где Е > Ег.
Следует отметить, что измеряемое в данных условиях
сопротивление —это сопротивление в контактах. В самом
баллистическом нанопроводнике рассеяния электронов
нет. Следовательно, он не должен иметь электрического
сопротивления.
Лазеры на двойных гетероструктурах (ДГС лазеры ).
В предыдущей главе уже отмечалась исключительно важ-
ная роль полупроводниковых гетероструктур в современ
ной электронике и оптоэлектронике, связи, компьютерной
технике. За создание полупроводниковых гете,юструктур
Ж. И. Алферову совместно с Г. Кремером и Дж. Килби
(США) была присуждена в 2000 г. Нобелевская премия.
Наиболее широко гетероструктуры используются в опто-
электронике, например для создания гетеролазеров, фо-
топриемников, светодиодов, тепловизионных систем.
Рис. 7.11
Геометрические и энергетические особенности
полупронодникооого лалера на Знойной гетероструктуре:
а — структура ДГС лазера; б - зависимость коэффициента прелом-
ления » OTI 1 структуре: в, г — зависимости от ж энергия краев аа
лектной зоны (£,.) и зоны проводимости (£<J для случаев микронной
(d, - 1-1,5 мкм) я наноразмерной - 5 -10 нм) толщины слоя GaAa.
На рис. 7.11 представлены структура (а) и упрощен-
ные энергетические диаграммы: классического ДГС-лаэе-
ра (в) и ДГС-лазера с квантовой ямой(р). Диаграммы со-
ответствуют прямому смещению на структуре; GaAs —
узкозонный полупроводник, AIGaAs — широкозонный.
При прямом смещении в активный слой (GaAa) инжек-
тируются электроны из п AlGaAs и дырки из p-AIGaAs
(двойная инжекция), что показано искривленными стрел-
ками. Электроны и дырки не могут покинуть активный
слой, так как он ограничен потенциальными барьерами,
и все процессы рекомбинации идут в активном слое. На
рис. 7.11в штриховкой показаны энергетические облас-
ти. занятые инжектированными зарядами. При реком-
бинации испускается квант электромагнитной волны
Av — АЕГ Показатель преломления у GaAs больше, чем
и опубликовал на сайте : Р R Е S S I ( Н Е R S О N
Ч«гт» S. ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ
159
158 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введгниг о
у AlGaAs (см. рис. 7.116). Поэтому сеет идет по активно
му слою, как по волноводу, за счет эффекта полного внут
реннегоотражения значительной части индуцированных
фотонов (см. рис. 7.11а). Таким образом, в ДГС-лазерах
происходит пространственное накопление неравновесных
носителей (дырок и электронов) в слое GaAs; увеличивает-
ся также вероятность их рекомбинации и интенсивность
рекомбинационного излучения. Полноводный эффект обсс
печивает направленность лазерного луча.
Если активный слой (GaAs) представляет собой кван-
товую яму (см. рис. 7.11г), то инжектированные прямым
током электроны и дырки располагаются на размерных
энергетических уровнях. Рекомбинационные переходы,
показанные верти калькой стрелкой, дают излучение
/: v - АЕ^ + AEc, + AEv, •
Одно из преимуществ лазеров на квантовых ямах —
возможность перестройки частоты излучения изменени-
ем толщины активного слоя d. С уменьшением величины d
увеличиваются расстояния от краев зон до первых размер
ных уровней, увеличивается и частота излучения. Другое
преимущестно — снижение порогового тока. Пороговый
ток — это ток, при котором начинается лазерная гене
рация. Генерация начинается при такой степени инвер
сии населенности верхних и нижних уровней, когда уси-
ление излучения при взаимодействии с активным слоем
превосходит потери энергии, обусловленные выходом из-
лучения наружу и поглощением в гетероструктуре.
У лазеров на квантовых ямах есть и другие преимуще
ства, связанные с размерным квантованием, например,
более слабая температурная зависимость порогового тока,
бол ыпее дифференциал ьное усиление.
Структура полупроводникового лазера, представленная
па рис. 7.11г, относится к двухмерным системам. В двух-
мерных системах условия для создания инверсной насе-
ленности более благоприятны, чем в трехмерных. В мас-
сивном полупроводнике плотность квантовых состояний
вблизи края зоны мала (см. рис. 7.5), а непрерывный ха-
рактер зависимости g(E) обуславливает «расплывание»
инжектированных носителей заряда по состояниям. Это
приводит к необходимости увеличения тока инжекции для
поддержания режима генерации.
В квантовой яме плотность состояний не убывает вбли-
зи края эоны (см. рис. 7.66), оставаясь постоянной и рав-
ной — число состояний, которые необходимо инвер-
пт
тировать, уменьшается. Кроме того, за счет малой толщи-
ны активного слоя обтемная плотность инжектированных
неравновесных носителей велика. Поэтому генерация на-
чинается при гораздо меньшей плотности инжекционного
тока и составляет в лучших образцах величину порядка
~50 А/см2. Благодаря ступенчатому характеру зависимо-
сти g(E) менее выражено температурное «расплывание»
носителей по состояниям, поэтому в лазерах на кванто-
вых ямах температурная стабильность порогового тока
достаточно высока.
В квантовых точках энергетический спектр меняется
еще более радикально, становясь дискретным. Отсутству-
ют квантовые состояния, которые содержат электроны,
но не принимают участия в усилении оптического излуче-
ния. Поэтому в лазерах на квантовых точках пороговый
ток уменьшается еще значительнее и становится темпера-
турно независимым.
7.4.
РЕЗОНАНСНЫЙ
ТУ ННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ
7.4.1.
РЕЗОНАНСНОЕ ТУННЕЛИРОВАНИЕ
Туннельный эффект (см. пп. 4.5 и 4.6) состоит в про-
хождении микрочастиц сквозь потенциальный барьер,
высота которого (7° больше энергии налетающей частицы.
При этом не всякий раз частица с данной энергией прой-
дет сквозь барьер. Существует определенная вероятность
ее прохождения сквозь барьер, называемая коэффициен-
там прозрачности D (см. формулу 4.14). Величина D тем
больше, чем меньше ширина барьера d и разность между его
160 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Воккии» гжчиолжи-т»
Чаем, 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
161
высотой (7° и энергией части-
цы Е, т. е. «дефицит» энергии
частицы внутри барьера (LP-
- Е). В наноразмерной струк-
туре этот эффект сможет про-
явиться, например, в прохож-
дении электронов сквозь слои
диэлектрика. Время туннели-
рования т очень мало. Оно име-
ет порядок
Я
Рос. 7.12
Структура (а),
энергетические
диаграммы (в, а. г)
и вольт амперные
характеристики (д)
резонансно туннельного
пунктир кп рис. д — идеклюиро-
ипшшя характеристика, сплош-
ная кривая — реальная харак-
теристика.
—-----10 15 с,
(7°-Е
что можно оценить, исполь-
зуя соотношение неопреде-
ленностей (4.6). Туннельный
эффект имеет заметную веро-
ятность, если d соизмеримо с
длиной волны де Бройля элек-
трона. Он определяет пределы
функционирования элементов
ИМС на основе традиционных
принципов. Но если положить
туннельный эффект в основу
принципа действия прибора,
то это может повысить его бы-
стродействие (до сотен ТГц).
Например, на этом принципе
работают одноэлектронные
устройства (см. п. 7.6).
Дополнительными полез-
ными для наноэлектроники
особенностями обладает так
называемый резонансный тун
нельный эффект (рис. 7.12).
Он проявляется в двух или
многобарьерной периодической
структуре и состоит в рез-
ком увеличении вероятности
прохождения частицы сквозь
барьеры, если ее энергия совпадает с каким-либо размер
ным уровнем энергии в потенциальной яме, разделяющей
барьеры (рис. 7.12в). Резонансное туннелирование сквозь
ряд барьеров возникает только в случае, если ширина ям
и барьеров имеет порядок длины волны де Бройля. В этом
эффекте время прохождения электроном структуры вклю-
чает, помимо времен туннелирования, время пребывания
электрона в яме, разделяющей барьеры, т. е. время его
жизни т на резонансном уровне. Например, согласно оцен-
ке, для двойной гетероструктуры, состоящей из слоев
Alo'gGao.rAs (5 HM)-GaAs (7 нм)-AloaGaoxAs (5 нм) при вы-
соте барьеров 0,2 эВ, время т - 8-10 12 с, т. е. все же дости-
гается терагерцевый диапазон. Величина х уменьшается
при дальнейшем уменьшении размеров структуры.
Двухбарьерные структуры представляют большой ин-
терес для электроники, так как на их основе могут рабо-
тать СВЧ-приборы в диапазоне сотен ГГц и переключатели
с задержкой менее 1 пс. Созданы приборы на основе двух-
барьерной структуры — резонансно-туннельные диод и
транзистор. Разработаны и находят применение многобарь-
ерные структуры, которые называются сверхрешетками.
7.4.2.
РЕЗОНАНСНО-ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД
Вариант структуры резонансно-туннельного диода изо-
бражен на рис. 7.12а. На рис. 7,126,в,г приведены энерге-
тические диаграммы, поясняющие работу диода. Основные
части диода: 1 и 5 — сильнолегированные слои л‘ GaAs,
(эмиттер и коллектор), толщина этих слоев лежит за пре-
делами нанометрового диапазона; 3 — квантовая яма тол-
щиной d3 ” 3-10 нм, слой (изслаболегированного п GaAs):
2,4 — барьеры из AI/Ib) тЛь толщиной d2 — d4 — 2-5 нм.
Высота барьеров 17°зависит от концентрации алюминия х.
Величина (7* возрастает от 0,2 эВ при х = 0,3 до 0,35 эВ при
х — 1. Предполагается, что высота барьера (7° и ширина
потенциальной ямы d3 подобраны так, что в яме образует-
ся только один размерный квантовый уровень Е}. Вели-
чина соответствует дну зоны проводимости арсенида
галлия GaAs; величина - дну зоны проводимости
и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
162 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Ввгдгкиг • смчымаяагш»
соединения AlGaAs; Еч, ЕР - уровни Ферми в сильноле-
гировапных слоях GaAs. (В сильнолегированных п-полу-
проводниках уровень Ферми располагается в зоне прово-
димости, и все уровни от дна эоны проводимости до уровня
Ферми при низких температурах заняты электронами. На
рис. 7.12б,в,г пгтриховкой показаны заполненные уровни.)
Энергетическая диаграмма, представленная на рис.
7.120, соответствует состоянию равновесия структуры.
Напряжение между эмиперами и коллектором 17-0, ток
в структуре отсутствует.
Если приложить небольшое напряжение U и посте-
пенно повышать его, то через структуру пойдет слабый
ток, обусловленный обычным туннелированием электро-
нов через потенциальный барьер 2 (см. участок 0~17|, на
рис. 7.12d). При этом энергетические уровни эмиттера 1
будут подниматься относительно уровней коллектора 5.1
Значительно больший ток через структуру, связанный с
резонансным туннелированием, появится при напряже-
нии U}, когда уровень EPl (последний уровень в эмиттере,
заполненный электронами) сравняется с размерным уров-
нем Et (см. рис. 7.12в). На рисунке видно, что С71 опреде-
ляется положениями уровней Е} и Eft, и можно записать
е
С увеличением 17 ток I резко возрастает до тех пор, пока
с размерным уровнем Е2 не сравняется дно зоны проводи-
мости Ес> (см. рис. 7.12г). Это произойдет, если
U2=2^-^-.
е
В этом выражении — исходное положение дна эо-
ны проводимости в слое 1 (см. рис. 7.12в). При дальней-
шем увеличении U уровень Е, опускается ниже дна зоны
п|юводимости, в запрещенную зону, где электронов нет, и
ток резко падает (вблизи U - U2, см. рис. 7.120).
Нарис. 7.120показаны вольт-амперные характеристи-
ки (ВАХ) диода: I - - идеализированная, 2 — реальная. Па
ВАХ имеется падающий участок при U — U2, т. е. участок
1 Полагаем для простоты, что напряжгяяе падает только ка барьера*.
3 ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ 163
с отрицательным дифференциальным сопротивлением
(сравните с кривой N на рис. 5.7). Эго позволяет исполь
зовать резонансный туннельный прибор для генерации
СВЧ-колебаний с частотами выше (на порядок и более),
чем вобычных туннельных диодах. В экспериментах дос-
тигнута частота генерации 700 I’lli. Величинами Ut и 172
можно управлять, изменяя ширину ямы, что приводит к
изменению положения размерного уровня.
Резонансно-туннельный диод преобразуется в транзи-
стор, если к центральной части структуры (см. рис. 7.12а)
подвести электрод, регулирующий положение размерно-
го уровня Е] с помощью электрического поля.
На основе резонансно-туннельных диодов разработа
ны аналого цифровые преобразователи на несколько ГГц,
логические элементы, запоминающие устройства, кото-
рые можно использовать в процессорах, и другие цифро-
вые устройства для быстродействующей электроники.
7.5.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
СВЕРХРЕШЕТКИ
7.5.1.
СВЕРХРЕШЕТКИ
Сверхрешетки — это кристаллические структуры,
в которых кроме периодического потенциала кристал
лической решетки имеется другой периодический потен
циал, период которого значительно превышает посте
янную решетки, но соответствует наномасштабам
(см. п. 6.9).
В настоящее время наиболее широко применяются по-
лупроводниковые сверхрешетки. Они состоят из чередую-
щихся слоев двух полупроводников, различающихся или
составом, или типом проводимости. Получают сверхре
шетки, например, с помощью технологии МЛЭ, позво-
ляющей наращивать чередующиеся слои любого состава
и толщины. Период повторения слоев составляет от не-
скольких нанометров до десятков нанометров (для срав
нения — постоянные решетки кристаллов Si и GaAs рав-
ны примерно 0,5 нм).
е-
Ч«Л1» 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
165
1 #4 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение а
Широко используют дня типа полупроводниковых
сверхрешеток: композиционные и легированные. Ком
позиционные сверхрешетки — это гетероструктуры из
чередующихся слоев различного состава и ширины за-
прещенной эоны, но с близкими значениями постоянной
решетки. Например, Al.Ga^xAs-GaAs; ln,Ga|JrAs<laAs;
In/Ja! ^AsInP: ZnS-ZnSe и др. Здесь дополнительный пе-
риодический потенциал создается за счет периодического
изменения ширины запрещенной зоны. Легированные
сверхрешетки — это периодическая последовательность
слоев п- и p-типа одного и того же полупроводника. До-
норные атомы в л-слоях отдают электроны, которые свя-
зываются акцепторными атомами вр-слоях. Дополнитель-
ный периодический потенциал создают чередующиеся за-
ряды ионизированных акцепторов и доноров. Существуют
также сверхрешетки из металлов, сверхпроводников и ди-
электриков.
Дополнительный периодический потенциал сверхре-
шетки изменяет зонную структуру исходных полупровод-
ников. Поэтому сверхрешетку можно рассматривать как
новый, синтезированный полупроводник, не существую-
щий в природе и обладающий необычными свойствами.
Подбором материала и состава чередующихся слоев мож-
но в широких пределах варьировать зонную структуру
сверхрешетки. Совокупность методов получения материя
лов с модифицированной зонной структурой лежит в ос-
нове так называемой » зонной инженерии».
7.5.2.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫ
СВЕРХРЕШЕТОК
На рис. 7.13а показана энергетическая диаграмма (по-
тенциальный профиль) композиционной сверхрешетки
Л1,Са! гА.ч-GaAs в направлении, перпендикулярном сло-
ям. Вследствие периодического изменения ширины запре-
щенной зоны ЛЕ, = £^л -£ц, создается последователь-
ность прямоугольных квантовых ям, разделенных барье-
рами. Ямы образуются в узкоэонном полупроводнике: для
электронов — в зоне проводимости, для дырок — в валент
ной зоне. Есть решетки с более сложным профилем, на-
пример в структурах GeJSi-Si. GaAs GaP.
На рис. 7.130 показан потенциальный профиль моду-
лированолегированной композиционной сверхрешетки.
В рассматриваемом случае легируется донорной примесью
только широкозонный материал. Электроны с донорных
уровней переходят в квантовые ямы, пространственно раз-
деляясь с ионизованными донорами. Чередование зарядов
вызывает периодические изгибы краев эон. На рис. 7.13а,б
штриховкой показаны минизоны (см. п. 7.5.3), на кото-
рые разбиваются валентная зона и эона проводимости.
Гас. 7.18
Энергетические диаграммы простой композиционной (а)
и модрлировано-легированной (в) сверхрешеток:
d — период сверхрешетки.
Энергетические диаграммы легированной сверхрешетки:
— аффективная ширина запрещенной эоны сверх ре
шеткн; d — ее период.
и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
166 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ 8<wtowt • ел<»шим<огт»
На рис. 7.14 показан потенциальный профиль легиро-
ванной сверхрешетки. Чередующиеся заряды ионизиро-
ванных доноров и акцепторов создают последовательность
потенциальных ям для электронов и дырок. Электроны и
дырки оказываются пространственно разделенными: дыр-
ки находятся в потенциальных ямах валентной эоны
p-слоя, электроны — в потенциальных ямах зоны прово-
димости n-слоя. Штриховкой показаны мини-эоны: АЕЖ —
ширина запрещенной эоны исходного полупроводника,
Л£4,ч — эффективная ширина запрещенной эоны сверх-
решетки. Для получения легированных сверхрешеток час-
то используют GaAs.
7ЛЛ.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР
ЭЛЕКТРОНОВ В СВЕРХРЕШЕТКАХ
Для нахождения спектра решается уравнение Шрёдин-
гера, как и в случае массивного кристалла, но с учетом
дополнительного периодического потенциала. Используя
результаты расчета зонной структуры кристалла, можно
сделать качественные выводы относительно энергетиче-
ской структуры сверхрешетки. Потенциал сверхрешетки
периодичен, поэтому размерные уровни расщепляются в
зоны.1
Спектр имеет зонный характер: в эоне столько уровней,
сколько ям в структуре. Так как период сверхрешетки d
значительно больше постоянной решетки, то получающие-
ся сверхрешеточные зоны представляют гобой более мел
кое дробление энергетических зон исходных полупровод-
никовых кристаллов и называются мини зонами. Расще-
пление зоны щюводимости и валентной эоны на мини-эоны
показано штриховкой на рис. 7.13 и 7.14.
Чем меньше ширина ямы, тем больше расстояние ме-
жду мини-зонами и больше эффективная ширина запре-
щенной зоны ЛЕц ; чем меньше ширипа барьера, тем
шире мини-зоны. Таким образом, можно перестраивать
' Подобно тому, к»К энергетические уровни электронов вкешикх
оболочек втомл расщепляются в зоны при образовании кристалла
(см. а. 4.8).
Чагви J. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 167
энергетический спектр сверхрешетки простым изменени-
ем толщины слоев, что легко осуществить в методе МЛЭ.
График плотности состояний #(£j имеет ступенчатый
вид, как и#(£)для квантовой ямы, нос иной формой сту-
пеней.
7.S.4.
СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОННОГО ГАЗА
В СВЕРХРЕШЕТКАХ
В легированных сверхрешетках электроны и дырки
пространственно разделены (см. рис. 7.14). Генерируемые
светом пары электрон-дырка (неравновесные носители)
также пространственно разделяются, что подавляет ре-
комбинацию и увеличивает их время жизни до '10s с.
В модулировано-легированных композиционных сверх-
решетках широкозонный полупроводник (например,
AlGaAs) легируется донорной примесью. Электроны с до-
норных уровней барьера переходят в ямы зоны щюводи-
мости узкозонного полупроводника (например, GaAs),
см. рис. 7.136. В барьерах остаются ионизованные доно-
ры (примесные центры), в ямах образуется 2£>-электрон-
ный газ с высокой плотностью и подвижностью электро-
нов. Высокая подвижность обусловлена тем, что плотность
электронов в узкоэонном слое больше плотности центров
рассеяния, а донорные примесные центры заключены в ши-
рокозонных слоях. Эффект увеличения подвижности осо-
бенно значителен при низких температурах, когда глав-
ный вклад в рассеяние движущихся электронов вносит их
рассеяние на примесях. Высокая подвижность электро-
нов позволяет создавать на сверхрешетках быстродейст-
вующие приборы, например транзисторы с проводящими
каналами, параллельными слоям. Время переключения
таких транзисторов может составлять пикосекунды.
7.5.5.
УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ СВЕРХРЕШЕТОК
Сверхрешетки используются в ряде полупроводнико-
вых приборов, например в лазерах, светодиодах, фото-
приемниках, а также в транзисторах и других устройст-
вах с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
168 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Barirauf а сптиалчмст»
Ч«оп» I ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ
16»
Принципы действия подобных приборов основаны на спе-
цифических для сверхрешеток явлениях: квантовом ог-
раничении носителей заряда в потенциальных ямах, про-
странственном разделении электронов и дырок (большие
времена жизни неравновесных носителей) или электро-
нов и доноров (высокие подвижности), резонансном тун-
нелировании; малых временах туннельных переходов,
возможности перестройки энергетического спектра.
Рассмотрим некоторые применения сверхрешеток в
оптоэлектронике. К ним относятся, в частности, ИК-фото-
приемники и лазеры.
Инфракрасные фотоприемники, Фотоприемники пред-
назначены для регистрации и измерения оптических сиг-
налов и для получения изображений во всех областях спек-
тра, в том числе ИК- и УФ-диапазонах. Некоторые типы
фотоприемников были созданы еще в начале XX в., но наи-
более быстрыми темпами развиваются разработка и выпуск
фотоприемников в последние десятилетия. Объем рынка
приемников излучения всех классов достигает 1 млрд дол-
ларов в год. Потребителями являются отрасли научного,
гражданского и оборонного приборостроения. Наибольшие
средства вкладываются в разработки ИК-фотоприемников,
используемых в аппаратуре и системах наблюдения, ноч-
ного видения, самонаведения, тепловидения и др., а также
в волоконно-оптических линиях связи. Для ИК-фотопри-
емников используются как легированные сверхрешетки,
так и многослойные гетероструктуры.
Рабочий диапазон легированных сверхрешеток па ос-
нове GaAs — 0,8-1,4 мкм. Слои легируются так, что чис-
ло доноров в n-слое равно числу акцепторов в p-слое. При
этом в равновесном состоянии практически отсутствуют
свободные носители, и решетка представляет собой пол-
ностью обедненный, высокоомный материал. Свет с дли-
ной волны, соответствующей условию
hv = ^ = AE£„,
генерирует пары электрон-дырка. Речь идет об электронах
в нижней мини-эоне зоны проводимости л-слоя и дырках в
верхней мини-эоне валентной эоныр-слоев (см. рис. 7.14).
Рас. 7.15
Энергетическая
диаграмма. иллюетри
рующая принцип
работы И К приемника
на основе гетерострук
тур с квантовыми
ямами
Так как ДЕ/-ф < ДЕ,, то рабочий диапазон X лежит за кра-
ем поглощения GaAs в ИК-области; X можно изменять с
помощью изменения толщины слоев.
Генерируемые светом электроны и дырки сразу ока-
зываются пространственно разделенными, поэтому реком-
бинация подавлена и время жизни т велико.
К внешним слоям структуры прикладывается напря-
жение, которое «вытягивает» на электроды неравновесные
носители, регистрируя сигнал. Темновой ток мал, так как
практически нет равновесных носителей. Генерируемые
электроны при переходе должны туннелировать сквозь
барьер высотой ДЕ, - АЕГе>, что уменьшает вероятность
поглощения, но компенсируется большим значением т.
На рис. 7.15 приведена энергетическая диаграмма зоны
проводимости структуры с квантовыми ямами. Приложен
пое внешнее электрическое поле с ннпряженнсхтью Е со-
здает наклон эоны проводимости многослойной структуры.
Ширина ям (хх-тавляет-4-5 км, ширина бар!.еров составля-
ет -40-50 нм. Штриховкой показаны размерные подзоны в
ямах. В равновесии электроны занимают нижние подзоны.
Барьеры относительно широкие, туннельных переходов ме-
жду размерными уровнями ям пет, поэтому ток через струк-
туру в отсутствие освещения (темновой ток) очень мал.
Освещение вызывает переходы электронов типа 1 или 2
(см. рис. 7.15), при этом в цепи появляется ток (явление
фотопроводимости). Переход / — это переход с основного
уровня в свободное состояние над барьером в зоне прово-
димости; переход 2— с основного уровня на возбужден-
ный, с последующим туннелированием в состояния над
барьером (стрелка б на рис. 7.15).
Ртредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N
170 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. BeftUuur » емциал»»»»»
Изменением толщины слоев можно в широких преде-
лах регулировать спектральные характеристики фотопри-
емника.
Для тепловизионных систем, работающих в диапазо-
не 8 -20 мкм, в настоящее время наряду с фотоприемни-
ками на основе CdHgTe и других материалов используют-
ся также детекторы ИК-излучения на основе многослой-
ных гетероструктур GaAs AlGaAs с квантовыми ямами.
Тепловидение — это визуализация слабонагретых объек-
тов по их собственному ИК-иалучению. Для тел с темпе-
ратурой. близкой к комнатной, максимум интенсивности
излучения приходится на А. - 10 мкм. Например, челове-
ка в полной темноте можно увидеть на расстоянии -30 м в
ручной тепловизор. Объекты военной техники просмат-
риваются на расстоянии 2 3 км. Тепловидение может быть
широко использовано в авиации, машиностроении, строи-
тельстве, микроэлектронике, медицине, геологии.
11ерспективность гетероструктур GaAs-AlGaAs связа-
на с разработанностью методов формирования тонких сло-
ев, возможностью обеспечить высокий уровень интегра-
ции фотоприемных элементов и элементов обработки фо-
тосигнала.
В настоящее время создана технология «гибридных»
фотоматриц. Отдельно изготавливаются фотоматрица из
фотоприемных элементов (форматом, например, 128x128
или 320x256) и матрица СБИС на основе Si, для считыва-
ния и обработки сигналов, регистрируемых фотоэлемента-
ми. Затем эти матрицы стыкуются при помощи индиевых
микроконтактов. Размеры фоточувствительных элементов
составляют -20-50 мкм. Такие гибридные фотоматрицы —
продукт самых высоких технологий.
Сверхрешетки в лазерных структурах. Кроме ИК-фото-
приемников, сверхрешетки используются в лазерных струк-
турах — в качестве активных областей и пассивных элемен-
тов(волноводы). Принцип работы инжекционных лазеров
на сверхрешетках такой же, как для ДГС-лаэеров на кван-
товых ямах. Ступенчатый вид графика плотности состоя-
ний (см. рис. 7.60) и узкие области локализации носите-
лей, участвующих в генерации, обеспечивают низкий по-
Часгаь 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 171
роговый ток и высокий КПД лазеров на сверхрешетках и
на квантовых ямах. Если в гетеролазерах на сверхрешет
ках наращивать слои с различной концентрацией компо-
нентов, можно получить генерацию излучения одновре-
менно на нескольких длинах волн А. Разработан лазер на
четырех активных слоях с четырьмя различными X.
Сверхрешетки и квантовые ямы имеют более крутой
спад края оптического поглощения, чем исходные полу-
проводники и классические ДГС-структуры. Эго уменьша-
ет поглощение генерируемого излучения как в активной,
так и в волноводной областях. В лазерах на квантовых ямах
сверхрешетки используются в качестве волноводов. Они
обеспечивают профиль показателя преломления, позволяю
щий получать оптимальный волноводный эффект. С каж-
дой из двух сторон активной области располагаются сверх-
решетки, содержащие -200 периодов. Всего в лазере мо-
жет быть до 1000 слоев.
Особый интерес представляют лазеры на сверхрешет-
ках и на системах квантовых ям, излучающие в среднем
ИК-диапаэоне(Х = 2-12 мкм). В диапазоне 2-5 мкм лежат
полосы поглощения многих вредных промышленных га-
зов, и с помощью ИК-лаэеров этого диапазона можно осу-
ществлять контроль выбросов в атмосферу. В спектре по-
глощения самой атмосферы имеются «окна прозрачно-
сти». Для тепловидения наиболее важны окна 3-5 мкм и
8-12 мкм. Излучение тел с температурой 300 К лежит в
диапазоне 8-12 мкм. Длины волн излучения современных
ИК-лазеров попадают в окна прозрачности. Эти лазеры
могут найти широкое применение в телекоммуникации и
локации.
Создание ИК-лазеров с излучением в нужном диапазо-
не волн во многом стало возможным благодаря методам
зонной инженерии, лежащей в основе получения материа-
лов и наноструктур с заданными значениями ширины
(АЕГ) и эффективной ширины (АЕ(аф) запрещенной эоны,
расстояний между мини-зонами или размерными подзо-
нами. Как уже говорилось выше, эти величины можно
регулировать подбором состава полупроводниковых со-
единений, концентрации компонентов состава, ширины
172 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ • «MwiMJbxocm.
3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
173
и высоты потенциальных ям и барьеров в наногетеро-
структурах. Длины волн оптического излучения опреде-
ляются перечисленными величинами.
Квантовые каскадные лазеры. Один из наиболее яр-
ких примеров достижений зонной инженерии — кванто-
вые каскадные лазеры на сверхрешетках, работающие на
переходах между подзонами одной и той же эоны прово-
димости. Излучения различных каскадных лазеров лежат
в диапазоне X = 2,5-13 мкм, т. е. перекрывают окна про-
зрачности атмосферы. Различные лазеры работают при
температурах от криогенных до комнатных, как в им-
пульсном, так и в непрерывном режимах.
На рис. 7.16 дана энергетическая диаграмма зоны про-
водимости, поясняющая принцип работы квантового кас-
кадного лазера (один из вариантов каскадных лазеров).
В рассматриваемом примере активные области состоят
из трех туннельно связанных квантовых ям (InGaAs), раз-
деленных тонкими Al In As-барьерами. Инжекторы пред-
ставляют собой сверхрешетки из тех же материалов. Ак-
тивные области и инжекторы чередуются, образуя каскад
из нескольких десятков ступеней (обычно в каскад входят
25-30 ступеней). В квантовых ямах активных областей уро-
вень 2 (квантовое число п = 2) и уровень 3 (и = 3) — первый
Р»с7.1в
Схема. покснлющал работу кнантолчго каскадного лазера
и второй возбужденные уровни, уровень 1 (л — 1) — основ-
ной. Уровни уширены вследствие наличия электрическо-
го поля Ё (величина Е достигает 105 В/см). Это ноле соз-
дает также наклон энергетического профиля зоны прово-
димости (ее нижняя граница представлена на рис. 7.16).
Лазерное излучение испускается в активных областях
при переходах 3 —> 2 (вертикальная стрелка на рис. 7.16),
для чего необходима инверсная населенность уровня 3. Ин-
версия населенности соответствует большему числу элек-
тронов на уровне 3, чем на уровне 2. Для этого толщины сло-
ев выбирают так, чтобы: 1) переход 2 —»1 был быстрым и
безызлучательным, то есть время жизни электронов на уров-
не 2 было малым, и он быстро опустошатся; 2) с уровня 3
наиболее вероятным был излучательный переход на уро-
вень 2, и время жизни электрона на уровне 3 было бы много
больше, чем на уровне 2. При этих условиях создается ин-
версная населенность на уровне 3 и возможна генерация.
Для непрерывной работы лазера необходимо постоян-
но инжектировать электроны на уровни 3 и отводить их с
уровней 1. Инжекция и отвод осуществляются через ин-
жекторные области посредством резонансного туннелиро-
вания через входной и выходной барьеры (рис. 7 Лба,б).
Инжекторные области — это сверхрешетки. В сверхре-
шетках размерные уровни отдельных ям расширяются в
мини-зоны (см. п. 7.5.3). В электрическом поле возможен
наклон мини-эон или даже их исчезновение из-за расхож-
дения уровней в соседних ямах. Чтобы этого не происходи-
ло, в инжекторе ширина ям последовательно уменьшается,
и получаются горизонтальные мини-зоны (см. рис. 7.15).
Толщина слоев в сверхрешетке подбирается так, чтобы на
выходе из активной области электроны с уровней 1 или 2
туннелировали в мини зону, а против уровня 3 была за-
прещенная мини зона и утечка электронов с уровня 3 ока-
зывалась невозможной. Величина электрического поля вы-
бирается таким образом, чтобы дно мини-эоны совпадало с
уровнем 3 следующей активной области. Кроме того, мини-
эоны сужаются к барьерам инжекции; электроны идут к
очередной активной области как по воронке, что условно
отражено формой заштрихованной части рис. 7.16.
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N
174 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ BtritMt • "ичшымхм
Электроны, испустившие излучение в активной облас-
ти, туннелируют в сверхрешетку через выходной барьер,
пролетают по сверхрешетке посредством резонансных тун-
нельных переходов, передавая избыточную энергию ее
атомам, переходя на уровень у дна мини-зоны и туннели-
руют на уровень 3 следующей активной зоны. Выбором
ширины ям и барьеров в активной области обеспечивает-
ся наибольшая вероятность нахождения электронов на
уровне 3 в первой и второй ямах, а на уровнях 2 и 1 — во
второй и третьей ямах, что повышает эффективность ин-
жекции и отвода носителей заряда.
11риведем пример ширины ям и барьеров для одного из
действующих лазеров (его энергетическая диаграмма дана
на рис. 7.16). Для активных областей крайние барьеры —
входной и выходной. При этом входной барьер имеет ши-
рину 5 нм, выходной — 3 нм, а потенциальные ямы — 1,0;
4,7; 4,0 нм, промежуточные барьеры — 6,0; 1,5; 2,2; 3,0 нм
соответственно. В инжекторной области ямы имеют разме-
ры 2,3; 2,2; 2,0; 2,0; 1,9; 1,9 нм, а барьеры — 2,3; 2,2; 2,0;
2,3; 2,28 нм. Ek л и в каскадном лазере N ступеней, то каж-
дый электрон, пройдя весь каскад, создает N фотонов (по
одному на каждой ступени). Приведенный пример иллю-
стрирует, сколь высоки требования, предъявляемые к ме-
тодам выращивания приборных многослойных нанострук-
тур. Лазерная структура наращивается послойно методом
молекулярно лучевой эпитаксии на подложке InP. Толщи-
на всех слоев должна выдерживаться с атомной точностью.
Разработаны также инфракрасные лазеры на межэон
ных переходах в сверхрешетках с более сложным энерге-
тическим профилем на основе соединений In, Ga, Al, Sb.
7.6.
ОДНОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
ОДНОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Одноэлектронными называются приборы, в которых
контролируется перемещение одного электрона или ма
лого их количества. Как уже отмечалось в главе 6, эти уст-
ройства представляют особый интерес в связи с прибли-
Чост» 3. ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ 175
жением технологии к пределу миниатюризации элемен-
тов классических интегральных микросхем. Одноэлек-
тронные приборы обеспечивают дальнейшее увеличение
быстродействия, снижение габаритов и энергопотребле-
ния электронной аппаратуры. В этих приборах перемеще-
ние электронов происходит посредством туннельного эф-
фекта. Так как время туннелирования мало, то предел
быстродействия высок (1014 Гц). Работа, необходимая для
перемещения одного электрона, мала — энергопотребле-
ние и тепловыделение должны быть низкими (теоретиче-
ски ~10 8 Вт для одного элемента).
В настоящее время созданы транзисторы, в которых
переключение происходит под действием одного электро-
на, и запоминающие устройства, в которых носителем бита
информации является один электрон. Для сравнения: в
современных устройствах переключение (переход между
состояниями «0» и «1») требует не менее 105 электронов.
Принцип действия одноэлектронного транзистора,
основан на явлении кулоновской блокады.
7.6.2.
КУЛОНОВСКАЯ БЛОКАДА
ТУННЕЛИРОВАНИЯ
Кулоновской блокадой называется отсутствие тока
через туннельный переход при наличии внешнего напря-
жения, если туннелированию электронов препятству-
ет их кулоновское взаимодействие.
Рассмотрим туннельный переход «металл (М1)-ди-
электрик (В)-металл (М2)» (см. рис. 7.17). Пусть перво-
начально система не заряжена. Систему можно рассмат-
ривать как конденсатор с некоторой емкостью С. Если пе-
ренести электрон е~с пластины Ml на М2, то конденсатор
окажется заряженным. Перенос заряда требует энергии
ДЕ, так как происходит против сил взаимодействия с по-
ложительным зарядом, возникающим на пластине Ml
(см. рис. 7.17а). Эта энергия равна энергии заряженного
конденсатора:
176
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. ВмЭгки» « r»«|mui«ix-m>
Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
177
Схема. поясняющая механизм
кулоновской блокады
при туннелировании электрода
Величина ДЕ называется энергией одноэлектронной
зарядки.
Если приложить к пластинам напряжение U (как это
показано на рис. 7.176) и постепенно увеличивать его, то
на пластинах станут накапливаться заряды. При этом до
некоторого значения U = Uy туннельный ток через переход
не возникает, так как работа сил поля источника напряже-
ния при перемещении электрона с пластины М1 на пласти-
ну М2 по величине остается меньше работы против куло-
новских сил отталкивания. Иными словами, протеканию
туннельного тока препятствует кулоновская блокада.
Блокада будет «прорвана», когда напряжение U дос-
тигнет значения Uy, определяемого соотношением:
=£»*«• и*=А-
* 2С * 2С
Напряжение Uy называется напряжением кулоновской
блокады. После «прорыва блокады» туннелирует один
электрон, затем снова накапливается заряд на пластинах
и т. д. Электроны туннелируют через переход по одному.
Наблюдение эффекта кулоновской блокады возможно
в условиях, когда энергия теплового движения электронов
недостаточна для преодоления блокады, т. е. ДЕ » kT, или
е2
С<&——.
2kT
Подставив в последнее неравенство значения е и k, полу-
чим, что для наблюдения эффекта кулоновской блокады
необходимаемкостьС« 9 10 18 Ф при 1КиС« 3 • 10 18ф
при 300 К. Для наглядности оценим радиусы сфер с соот-
ветствующими значениями С. Как известно, — 4яссоГ.
Полагая с — 10, получим г1к — 0,8 мкм, га<юк - 2,7 нм. Та-
ким образом, блокаду можно наблюдать или при темпера-
турах ниже гелиевых, или при очень малых емкостях.
В обычных условиях ДЕ пренебрежимо мало, так как С ве-
лико. Если Т — 300 К, то устройство типа изображенного
на рис. 7.170 должно для проявления кулоновской блока-
ды иметь пластины (!) и (2) размером порядка несколь-
ких нанометров, если толщина диэлектрика (£>) составля-
ет примерно 10 нм.
Второе условие наблюдения кулоновской блокады —
энергия одноэлектронного заряда ДЕ должна превышать
квантовые флуктуации энергии
ДЕ'---,
т
где т = R^C — время зарядки конденсатора, aRf — сопро-
тивление туннельного перехода: ДЕ ДЕ'. Последнее ус-
ловие можно переписать в виде: RT 3> 47?^-, где R< — квант
сопротивления < «, \
(Яс =-^-6,45кОм .
k 4ez J
7.6.3.
КУЛОНОВСКАЯ БЛОКАДА
В СТРУКТУРАХ С ДВУМЯ
ТУННЕЛЬНЫМИ ПЕРЕХОДАМИ
В приборных структурах одноалектроники использу-
ют два туннельных перехода, чтобы ослабить шунтирую-
щее действие подводящих проводов.
На рис. 7.18а показан конденсатор с двумя туннель-
ными переходами. Металлическая гранула (остров) 1 по-
мещена в диэлектрическую среду (заштрихована) между
двумя соединенными металлическими пластинами 2. Ост-
ров и пластины образуют две обкладки сложного конден-
сатора емкостью С. Так же, как и в предыдущем случае,
перенос электрона с пластин на остров (или наоборот) тре-
бует энергии
ДЕ = <
2С
На рис. 7.180 приведена схема для наблюдения куло-
новской блокады. Металлические пластины «Ис» и «Ст»
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
17В НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Введены • 'лецшыынкть
Чаги» 3. ОСНОВЫ IIАНОЭЛЕКТРОНИКИ
179
Рас. 7.18
Структура, включающал два электроде
и расположенный между ними л дизлек
трической среде наноостровок в отсут
стоив (а) и при наличии (б)разности
потенциалов между электродами
Риг. 7.20
Вольт амперные характеристики элемента,
работаклцего на основе эффекта кулоновской блокады
называются «исток» и «сток»; «О» — металлический ост-
ров; заштрихованы туннельные барьеры (диэлектрик).
На рис. 7.19а,б,в приведены энергетические диаграм-
мы, поясняющие эффект кулоновской блокады. В состоя-
нии равновесия, U - О, уровни Ферми истока, острова и
стока (EF^,EFc,EF^ соответственно) находятся на одной
высоте; тока в структуре нет. Символами Е^,Е^ обо-
значены уровни Ферми острова при удалении с него элек-
трона и добавлении электрона соответственно;
£к =2ЛЕ = ^~
(рис. 7.19а). *• *• С
Рис. 7.196 иллюстрирует случай, когда между истоком
и стоком приложено напряжение Ulf которое не может
вызнать туннелирования, и ток в цепи равен нулю. Элек-
троны начинают туннелировать с истока на остров, а за-
тем с острова на сток при некотором критическом значе-
нии напряжения 17* (рис. 7.19в). В цепи появляется ток J,
ток растет при дальнейшем увеличении U.
Вольт-амперная характеристика структуры показана
на рис. 7.20а. Подаваемое напряжение измеряется едини-
Fw тле
Энергетические диаграммы, палснэиащие принцип работы
элементе на основе эффекта кулоновской блокады
цами милливольт, одноэлектронный туннельный ток со-
ставляет десятки наноампер.
Когда напряжение U соответствует рис. 7.19е, электро-
ны туннелируют и проходят через остров по одному. Пока
на острове есть один добавочный электрон, другой не мо-
жет туда проникнуть из-за кулоновского отталкивания.
Если при увеличении U между EF~ и ЕГ^ окажется не-
сколько зарядовых состояний острова, то возможны муль-
тиэлектронные переходы. Но если один из барьеров будет
значительно белее толстым, то электроны снова будут про-
ходить через остров по одному.
Когда один из барьеров значительно толще другого, вольт
амперная характеристика структуры имеет вид, показанный
на рис. 7.206, и называется ^кулоновской лестницей».
7.в.4.
МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ
ОДНОЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНЗИСТОР
Металлический одноэлектронный транзистор работа-
ет на эффекте кулоновской блокады. Как и в обычном тран-
зисторе, имеется три электрода: исток («Ис»), сток («Ст»)
и затвор («3») — см. рис. 7.21. Между истоком и стоком
приложено небольшое напряжение U. Напряжение меж-
ду истоком и затвором равно С/3, на затвор подается «+•.
На рис. 7.22 приведены энергетические диаграммы,
поясняющие работу транзистора. Обозначения такие же,
как на рис. 7.19. Цифры над уровнями Ферми острова
(-1, 1,2,...) означают число электронов, перешедших на
остров с истока. При этом заряд острова составляет -е, 2г,
Зе..., соответственно; (-1) означает, что электрон удален с
острова. Заряд острова в таком случае равен +е.
ISO НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ НвеМкш п аиуисыгикть
Рже. 7.21
Принципиальная схема
транзистора. работакпцего
на эффекте кулоновской
блокады
Рже. 7.22
Энергетические диаграммы. поясняющие работу транзистора,
схема которого представлена на рис. 7Л
Поле положительно заряженного затвора смещает уров-
ни острова вниз (уменьшает энергию электронов острова).
Если напряжение (73 = О, то хотя £f <£f (рис. 7.22а), ку-
лоновская блокада подавляет туннелирование электронов с
истока и поэтому J -= О. При U3 — (рис. 7.220) кулонов-
ская блокада прорвана, электроны туннелируют с истока на
остров, азатем на сток — в цепи появляется ток J. При даль-
нейшем увеличении напряжения Ua и смещении уровня (1)
вниз снова возникает блокада (рис. 7.22а), ток отсутствует,
но на острове находится один добавочный электрон. При
17 = £/32 ток возникает снова.
По мере увеличения Ua блокада периодически насту-
пает и прорывается, нос каждым разом увеличивается на
единицу число электронов на острове. Эти электроны на-
ходятся на острове стабильно, а туннелирующие злектро-
Ржс 7.33
Зависимость тока от
напряжения на затворе дяя
транзистора, работающего
на эффекте кулоновской
блокады
Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ 181
ны проходят через остров по одному. На рис. 7.23 показан
вид зависимости тока от напряжения на затворе транзи-
стора. Возникающие скачки тока называются осцилляция
ми кулоновской блокады. Напряжение U;i имеет порядок
единиц милливольт, ток составляет десятки пикоампер.
Таким образом, тдонзистор может находиться в состоя
ниях «включено» и «выключено» в зависимости от напря-
жения на затворе. Поэтому одноэлектронный транзистор
может использоваться как переключатель. При прохож-
дении электрона сменяются состояния «включено» и «вы-
ключено». Теоретически время туннелирования равно
~10 15 с, этим определяется верхний предел быстродейст-
вия прибора (Till). Так какоднозлект|юнный транзистор
может находиться в двух состояниях, то на его основе мо-
гут быть созданы ячейки памяти с малыми размерами,
высоким быстродействием и низким энергопотреблением.
Проекты таких ячеек уже имеются.
В этом разделе рассмотрен металлический транзистор.
Разработано и реализовано много вариантов полупровод-
никовых одноэлектронных транзисторов. В таких тран-
зисторах островом служит квантовая точка, отделенная
обедненными областями-барьерами от истока и стока.
Подобный транзистор можно реализовать в едином кри-
сталле (см. п. 8.6).
В настоящее время в ряде лаборатори й пол учены образ-
цы одноэлектронных полупроводниковых и металлических
транзисторов, работающих при комнатной температуре.
7.7.
НЕКОТОРЫЕ ЯВЛЕНИЯ
И УСТРОЙСТВА СПИНТРОНИКИ
7.7.1.
СПИНТРОНИКА
Спинтроника — направление наноэлектроники, в
котором для представления и обработки информации
наряду с зарядом используется спин электрона.
В современной электронике уже есть устройства, рабо-
тающие на спиновых явлениях. Ото, например, выпускае-
мые фирмой IBM считывающие головки для магнитных
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
182 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ АалЬхшг « г-лгвиилыгеея»
дисков и новый тип магнитной памяти — МКАМ (mag-
netic random access memory — магнитная память с произ-
вольной выборкой). Устройства работают на эффекте ги
гантского магнитосопротивления.
7.7.2.
ГИГАНТСКОЕ
МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЕ
Магнитосопротивлением называется эффект изме
нения электропроводности материала при помещении
его в магнитное поле. Эго явление в металлах известно
давно и объясняется тем, что электроны проводимости в
магнитном поле под действием силы Лоренца должны дви-
гаться поспиральным траекториям, что приводит к умень-
шению подвижности носителей заряда. Магнитосопротив-
ление в металлах наблюдается в сильных полях при низ-
ких температурах.
В 1988 г. был обнаружен аналогичный, но гораздобо-
лее сильный эффект в гетероструктурах, состоящих из
чередующихся наноразмерных слоев магнитного и не-
магнитного металлов, например Fe/Cr, Co/Cu, NiFe/Cu
и др. В различных гетероструктурах сопротивление мо-
жет изменяться в пределах от 6 до 100%, что значитель-
но больше, чем для обычного магнитосопротивления в
тех же условиях. Так, сопротивление чередующихся сло-
ев Fe(3 нм)/Сг(0,9 нм) изменяется в два раза при пере-
ключениях магнитного поля. Поэтому этот эффект на-
зван «гигантским магнитосопротивлением» (ГМС).
Сущность эффекта ГМС поясняется на рис. 7.24, где
изображены чередующиеся нанометровые слои магнитно-
го и немагнитного материалов, например Со, Си, Со.
Есть два варианта проявления эффекта. Первый вари-
ант — ток перпендикулярен слоям структуры (рис. 7.24а,б).
Когда ферромагнитный материал намагничен, магнитные
моменты его атомон имеют одинаковое направление (вер-
тикальные стрелки на рис. 7.24а,б). Неполяризоваяные по
спину электроны из внешней цепи (ток J), проходя через
первый ферромагнетик, приобретают такое же направле-
ние спина (Т). Ток становится спипполяризованным (Ji).
Если второй ферромагнетик намагничен в том же направ-
Гаг.ТЛИ
Схемы. поясняющие механизм ГМС
лении (рис. 7.24а), ток Jr свободно входит в слой этого
ферромагнетика и сопротивление структуры мало. Если
намагниченности ферромагнитных слоев ориентированы
противоположно (рис. 7.246), то спин-поляризовапные
электроны отражаются от второй границы, сопротивле-
ние структуры велико.
Тип магнитных материалов первого и третьего слоев
не имеет принципиального значения для проявления эф-
фекта. В практических применениях используют магни-
томягкий и магнитожесткий материалы для того, чтобы
под действием внешнего магнитного поля изменял направ-
ление намагниченности только один из них.
Второй вариант эффекта — ток проходит вдоль слоев
структуры (рис. 7.24в,г). Если намагниченности феррома^
нитных слоев антипараллельны, происходит сильное рас-
сеяние носителей заряда на поверхностях раздела и, кроме
того, сужается канал прохождения тока (рис. 7.24в). В ре-
зультате сопротивление структуры увеличивается. Если
намагниченности слоен параллельны (рис. 7.24г), то оба
эти фактора не проявляются и сопротивление значитель-
но уменьшается. На практике в ГМС-элементах чаще ис-
пользуется второй вариант эффекта, так как сопротивле-
ние нанометровых слоев в направлении, перпендикуляр-
ном слоям, очень мало.
184 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение <• «цьвмьпгм*
Тает* 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 185
P1K.7.2S
Направления линий
вектора магнит
ной индукции
одного долг на (а)
и на границе доул
доменов (б) и (в)
Таким образом, сопротивление структуры можно суще-
ственно изменять переключением внешнего магнитного
поля. ГМС-структуры реагируют на очень малые измене-
ния внешних полей, например при переходе от магнитно-
го домена’ одной ориентации к домену противоположной
ориентации. На этом основано действие считывающих
ГМС-головок.
Принцип считывания. Циф|х>вая информация (в виде
битов) хранится на магнитных дисках или лентах в виде
доменов. При записи намагниченность каждого домена
принимает одно из двух направлений, например-> или .
Если первое направление отождествить с «О», то второе
будет отражать • 1». Магнитное поле домена практически
не выходит за пределы внутренней области домена, за ис-
ключением участков вблизи полюсов.
Па рис. 7.25а показаны линии вектора индукции маг-
нитного поля В одного домена; на рис. 7.25б,в приведе-
ны направления результирующего поля В^ на стыках
двух доменов.
Именно считывается ГМС-головкой. Для различ-
ных материалов область междоменной стенки составляет
от десяти до нескольких десятков нанометров.
На рис. 7.26 приведена схема ГМС-головки на маг-
нитной ленте: 1,2, 3 — слои NiFe, Си (2 нм), Со(2,5 нм)
соответственно. Стрелки на лепте обозначают направ-
ление намагниченности доменов. Намагниченность слоя
Со (магнитожесткого материала) направлена стабильно
перпендикулярно плоскости ленты, например, вверх.
Намагниченность магнитомягкого слоя NiFe принимает
направление на каждом стыке Т? или Т^относитель-
1 Домены — небольшие области а ферромагнетике, самопроизииль-
нс намагниченные до насыщения.
но слоя Со. Соответственно,
ток J возрастает или умень-
шается.
До открытия ГМС для на
магничивания малых облас-
тей носителя (режим записи)
и последующего определения
направления намагниченно-
сти (режим считывания) ис-
пользовались индукционные
Рас. 7.2в
Схематическое изображение
ГМС-головки
не магнитной ленте
катушки. ГМС-головки много чувствительнее индукцион-
ных, поэтому емкость магнитных дисков выросла на два
порядка. ГМС-элемент после переключения сохраняет на-
магниченность до нового переключения, поэтому он мо-
жет использоваться как элемент памяти. ГМС-элементы
используются для ячеек в магнитной памяти MRAM. Раз-
витие спинтроники должно существенно повысить быст-
родействие компьютеров и плотность записи информации.
7.7.3.
ТУННЕЛЬНОЕ
МАПШТОСОШЮТИВЛЕНИЕ
Туннельное магнитосопротивление (ТМС) — это эф
фект спин зависимого туннелирования электронов через
нанометровый слои диэлектрика или полупроводника, по-
мещенный между двумя ферромагнет иками. Используемая
структура имеет такой же вид, как на рис. 7.24а,б, но вме-
сто слоя меди применяется слой диэлектрика (AIгО3)или
полупроводника. Как и в случае ГМС, электроны тунне-
лируют, создавая гок из левого ферромагнетика в правый,
если их намагниченности параллельны. Если намагничен-
ности ферромагнетиков антипараллельны, то вероятность
туннелирования резко уменьшается, следовательно, пада-
ет ток через структуру, т. е. существенно увеличивается
ее сопротивление. Изменение сопротивления составляет
-30% при комнатной температуре, что позволяет исполь-
зовать рассматриваемый эффект в приборных структу-
рах. Как в случае ГМС, применяются мягкий и жесткий
ферромагнетики.
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
186 II АНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Влгдгчиг » глгвыиы«Х'П»
Состояние намагниченности сохраняется до нового пе-
реключения. поэтому магнитный переход может исполь-
зоваться как носитель одного бита информации в элек-
тронной памяти.
Ведутся разработки памяти на эффекте ТМС. В прибо-
рах на ТМС используются весьма слабые токи, поэтому
такие приборы имекхг низкое энергопотребление. Недос-
татком является то, что в них токи направлены перпенди-
кулярно слоям. Поэтому при уменьшении площади слоев
электрическое сопротивление прибора возрастает.
7.7.4.
ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ
СПИНТРОНИКА
Хотя уже созданы устройства на основе эффектов ги-
гантского магнитного сопротивления и туннельного маг-
нитного сопротивления, но эти устройства работают на
металлах, а современные технологии ориентированы на
полупроводники. Разработан ряд других спинтронных
приборов, требующих спин-поляризованноготока, но по-
лучение эффективной инжекции из ферромагнитного ме-
талла в полупроводник встречает большие трудности.
Поэтому важное значение имеет разработка полупровод-
никовой спинтроники, совместимой с современной тех-
нологией чипов.
Для полупроводниковой спинтроники необходимы
материалы нового типа — магнитные полупроводники.
Как уже отмечалось в предыдущей главе, обнаружено,
что ферромагнитные свойства можно придать соедине-
ниям А3В5 иА;Вв посредством легирования их ионами
железа, кобальта, марганца. Однако технология легиро-
вания встречает большие трудности из-за низких преде-
лов растворимости указанных примесей в кристаллах
АЯВГ( и AzBe. Кроме того, температуры Кюри (Тк) оказы-
ваются много ниже комнатной (например, -120-150 К
для Ga! гМпгАк). Ведутся разработки и исследования
свойств новых магнитных полупроводников. Получены
материалы с Тк выше комнатной температуры, напри-
мер GaMnN, GaCrN и другие.
Ужст» 3 ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ 187
Как уже отмечалось, в современных информационных
технологиях обработка информации и вычисления произ-
водятся в ИМС, а хранится информация на магнитных дис-
ках. Применение магнитных полупроводников дало бы воз-
можность размещать процессор и память на одном чипе,
убрав медленные каналы ввода-вывода, что значительно
повысило бы быстродействие.
Еще одно преимущество — магнитные полупроводни-
ки, способные воспринимать и усиливать оптические сиг-
налы, дали бы возможность прямого преобразования ин-
формации из оптического представления в электронное,
без процесса детектирования.
7.7.5.
спиновый ПОЛЕВОЙ
ТРАНЗИСТОР
Схема прибора показана на рис. 7.27.
Как и в традиционном транзисторе, узкий канал 2 по-
мещен между истоком 1 и стоком 3. Над каналом располо-
жен третий электрод — затвор. Здесь исток и сток — фер-
ромагнетики, намагниченные в одном направлении (гори-
зонтальные стрелки на рисунке), канал — полупроводник
с 2Л электропным газом. Ток, входящий в канал из источ-
ника, спин-поляризован. Если напряжения на затворе нет,
ток свободно проходит в сток (состояние низкого сопро-
тивления). Если на затвор подано напряжение, спин элек
тронов тока прецессирует (наклонные стрелки в канале).
Подбирая напряжение на затворе, можно регулировать ве-
личину изменения ориентации спина электронов при про-
хождении канала. Если в конце
нов имеют ориентацию, показан-
ную на рис. 7.27, то электроны
отбрасываются от границы стока.
В этом состоянии транзистор име-
ет высокое сопротивление. Таким
образом, сопротивление спино-
вого полевого транзистора может
контролируемо управляться элек-
трическим полем затвора.
канала спины электро-
1 г з
Рже. 7.27
Схематическое предстоя
ление спиновою полевого
транзистора
188 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ > елтшиьхоет»
7.7.6.
ЭЛЕМЕНТЫ ПАМЯТИ
НА МАГНИТНЫХ МОМЕНТАХ ЯДЕР
Элементы памяти на магнитных моментах ядер раз[>а-
батываются в Центре спинтроники и квантовых вычисле-
ний в Санта-Барбаре (Калифорнийский университет, США).
Это перспективные спинтронные устройства.
Спиновые магнитные моменты ядер более чем в тысячу
раз слабее электронных, поэтому управлять ими гораздо
сложнее. Преимущество их н том, что они меньше взаимо-
действуют с окружающей средой и потому лучше сохраня-
ют свое состояние. Кроме того, может быть обеспечена бо-
лее высокая плотность записи информации.
7.8.
НЕКОТОРЫЕ УСТРОЙСТВА
МОЛЕКУЛЯРНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
7.8.1.
МАКРОМОЛЕКУЛЯРНАЯ
ЭЛЕКТРОНИКА
В молекулярной электронике выделяют два основных
направления: микромолекулярная электроника (или про-
сто молекулярная электроника, сокращенно молетрони-
ка) и макромолекулярная электроника (или органическая
электроника).
Макромолекулярная электроника — это электроны
ка, в которой в качестве элементов схем используются
тонкие (20-200 км) пленки органических материалов.
Площадь пленок в разных устройствах может составлять
от нескольких квадратных микрометров (в транзисторах)
до нескольких квадратных сантиметров (в фотоэлементах).
Начиная с 1990-х гт. наиболее широко используются
полимеры. Они сочетают в себе многие электрические и
оптические свойства диэлектриков, полупроводников и
металлов с легкостью, пластичностью, более простой и
дешевой технологией.
Электропроводность полимеров может посредством
легирования изменяться до величины электропроводно-
сти меди. Проводящие полимеры применяются в мембра-
7«гт» 3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 189
нах громкоговорителей, для антистатических покрытий
(в частности, для компьютерных дисков Hitachi), могут
быть использованы для защиты от электромагнитного из-
лучения, применяются также в литографии в качестве
компонентов резистов. Полимеры (например, полианили-
новые) имеют способность обратимо легироваться и раз-
легироваться электрохимическим способом. На их основе
производятся легкие аккумуляторные батареи. Их ЭДС
примерно такая же, как у свинцовых батареек, но плот-
ность тока на порядок меньше.
Не легированные полимеры имеют свойства полупровод-
ников. Различные полимеры могут иметь донорные и ак-
цепторные свойства (например, производная полифенил-
винилена и производная политиофсна соответственно).
В 1994 г. с помощью простой и дешевой технологии
были созданы полимерныетранзисторы. Компанией Philips
уже изготовлен полностью полимерный чип площадью
27 мм2 с размером элементов -5 мкм. Однако полимерные
транзисторы имеют низкую подвижность носителей заря-
да и непригодны для частот более 100 кГц. Полимерные
ИМС не могут использоваться в компьютерах из-за низ-
кой скорости обработки информации, но применимы в
кодовых замках, электронных ярлыках ит. и., где они
могут заменить кремниевые микросхемы.
Все более широкое применение находят полимеры в
оптоэлектронике (эта область называется органической
оптоэлектроникой). Здесь используются нелегированные
или слаболегированные полимеры. В настоящее время соз-
даны полностью полимерные фотодиоды и солнечные эле-
менты на полимерных р~ n-переходах с достаточно высо-
ким КПД.
Перспективная и быстро развивающаяся область —
органические светодиоды. Целью многих разработок яв-
ляется создание дешевых источников освещения, цветных
плоских дисплеев и органических светодиодов. Эффек-
тивность органических преобразователей электрической
энергии в световую достигла уровня лучших неорганиче-
ских. К преимуществам органических светодиодов отно-
сятся низкая стоимость и возможность получать большие
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
190 НАНОтаХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Важбпше • Я1ПИ1«лмоои»
поверхности, например, для освещения панелей и стен.
Возможно применение органических светодиодов в пло-
ских цветных дисплеях, которые будут тоньше и дешев-
ле, чем жидкокристаллические. Уже разработаны светя-
щиеся дорожные знаки, плоские дисплеи в различных
приборах. Разрабатываются телевизионные плоские эк-
раны, светящиеся белым светом.
Принцип работы органического светодиода очень прост.
11рибор состоит из проводящего полимера в качестве элек-
трода с одной стороны, полупроводникового полимера в
центре и второго электрода (металлического). При подаче
напряжения на структуру отрицательный металлический
электрод инжектирует в средний слой электроны, поло-
жительный электрод — дырки. При рекомбинации заря-
дов испускается излучение. Эффективность преобразова-
ния электрической энергии в световую — от 4 до 20%, что
сравнимо с параметрами кристаллических светодиодов.
Полимерные светодиоды могут в перспективе произво-
диться быстро, дешево и в больших количествах.
7.8.2.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
(МОЛЕТРОНИКА)
Моле тропика — это электроника, в которой в качест-
ве элементов микроэлектронных схем используются отдель
ные органические молекулы или даже их фрагменты.
Идеи молекулярной э.чектроники возникли еще в 70-е гт.
XX в. Теоретически было показано, что различные моле-
кулы могут проводить ток или быть изоляторами, дейст-
вовать как диоды, элементы памяти, транзисторы. Одна-
ко эксперименты с отдельными молекулами в те годы были
чрезвычайно трудными.
В последние годы резко возрос интерес к молекуляр-
ным устройствам. Во-первых, в связи с приближающим-
ся пределом миниатюризации технологии ИМС на крем-
нии ведется поиск новых решений, которые привели бы к
прогрессу в микроэлектронике. Во-вторых, появились
новые экспериментальные средства в нанотехнологиях,
дающие возможность оперировать отдельными молекула-
9«»1> 3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 191
ми и создавать к ним контакты. Интерес к молекулярной
электронике обусловлен перспективами, которые откро-
ются, если отдельные молекулы можно будет использо-
вать в качестве базовых элементов электронных схем. Воз-
никает реальная перспектива создания 3-мерных схем со
сверхвысокой плотностью элементов, чрезвычайно высо-
ким быстродействием, низким энергопотреблением.
Основная трудность использования отдельных моле-
кул — отсутствие соответствующей схемотехники. Моле-
кулярные устройства должны представлять собой сложные
разветвленные цепи из различных атомных группировок.
Методы синтеза таких устройств пока не разработаны.
В настоящее время в мире существует более десятка
научно-технологических центров, занимающихся разра-
боткой устройств молекулярной электроники. Ежегодно
проводятся конференции, собирающие сотни специали-
стов. Финансирование разработок за рубежом соизмери-
мо с затратами в области традиционных технологий мик-
роэлектроники. Главные усилия разработчиков направ-
лены на создание молекулярного компьютера.
7.8.3.
МОЛЕКУЛЫ-ПРОВОДНИКИ
И МОЛЕКУЛЫ-ИЗОЛЯТОРЫ
Существует много видов молекул-проводников. Роль
таких проводников наилучшим образом выполняют длин-
ные стержнеобразные молекулы с чередующимися оди-
нарными и двойными (или тройными) связями углерода.
На рис. 7.28 показаны примеры таких молекул: а — по-
лиен (С„Нл+г), б — полифен ил енэтин илен.
В таких молекулах внешние, так называемые молеку-
лярные, л-орбитали электронов атомов углерода распростра-
няются по всей молекуле (делокализованные орбитали).
Рже. 7.2Я
Структура молекул пплиека (а) и полифениленэтинилена (б)
192 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Bardrnur а «и-чымвжхт.
Структура молекулы
С.Иьи
Рае. 7.2»
Это и обеспечивает возможность переноса электронов про-
водимости вдоль всей молекулы, т. е. электропроводность
молекулы.
Простейший пример молекул-изоляторов — алканы
С„Н2я+2 (рис. 7.29). Связи С-С и С-Н образованы локали-
зованными молекулярными а-орбиталями. Подобные мо-
лекулы ток не проводят.
7.8.4.
МОЛЕКУЛЫ диоды
Па рис. 7.30а показана модельная молекула, состоя-
щая из двух фрагментов: 1 —тетрацианохинодиметан (ак-
цептор) и 2— тетратиофульвален (донор), соединенных
системой метиленовых мостиков (3).
Рас. 7Л0
Схема молекулы, обладающей свойством диода (а);
упрощенная энергетическая схема этой молекулы /6)
Часть 3 ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ 193
Акцептор (1) имеет низколежающую свободную орби-
таль Л|, донор (2) имеет свободную орбиталь с более высо-
кой энергией л2. Донор и акцептор разделены изолирую-
щей подгруппой (3). Молекула помещена между двумя ме-
таллическими электродами с уровнями Ферми Еп и Еп.
В металлах (при низких температурах) заполнены прак-
тически все состояния до£г, и Еп. Рис. 7.306 соответст-
вует отсутствию напряжения между электродами.
Если на электрод 1 подать «минус», а на электрод 2
«плюс», то уровень ЕГ1 поднимется, и электроны будут
переходить из металла 1 на свободный уровень л(. Уро-
вень Еп понизится, на него будут уходить электроны с
занятого уровня nJ. Па освободившийся уровень туннели-
руют электроны, перешедшие на л(. Ток течет от электро-
да 1 к электроду 2, электроны при движении понижают
энергию на каждой ступени.
Если изменить полярность электродов, то на свобод-
ный уровень п2 электроны из металла 2 пойдут при гораз-
до большем напряжении, так как уровень п2 расположен
высоко. Таким образом, имеет место односторонняя про-
водимость.
7.8.5.
МОЛЕКУЛЫ-ТРАНЗИСТОРЫ
Принципиальная схема молеку-
лярного транзистора приведена на
рис. 7.31.
Молекулярный транзистор — ана-
лог полевого транзистора. Током в
канале между истоком и стоком управ
ляет электрическое поле затвора. За-
твором служит подложка сильнолеги-
рованною Si. Подложка покрыта сло-
ем SiO2 толщиной 30 им. На диоксид
наносилась полоска эоло-ra шириной
- 200 нм и толщиной -10-15 нм. По-
лоска, выполнявшая роль п|х>нодящей
проволочки, очищалась и помеща-
лась в раствор металлоорганических
транзистора
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
Чотт» 3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
195
194 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. ВегЭгш • спеишмыжк-п»
молекул, содержащих ион Со1 2’, в ацетонитриле. Затем ме-
тодом электромиграции (см. след, главу) на проволочке (по-
лоске) создавался разрыв шириной -1 -2 нм. Образовавшие-
ся кусочки золота (1 и 2, см. рис. 7.31) служили истоком и
стоком. В момент разрыва одна из молекул втягивается по-
лем золотых электродов в разрыв и прикрепляется конца-
ми — атомами серы — к электродам.
Полученный молекулярный транзистор — одноэлек-
тронный. Островом служит ион кобальта, между ионом и
электродами имеются туннельные барьеры. Если величи-
на напряжения на затворе меньше некоторого критиче-
ского значения (|(7„| =1,0 В), то на вольт-амперных харак-
теристиках наблюдаются области кулоновской блокады
(см. рис. 7.22а). При |l/J > |(/„| блокада прорывается и ток
через транзистор течет даже при очень малых смещениях
(напряжениях между истоком и стоком). После прорыва
блокады величина тока через молекулы составляет несколь-
ко десятых нА при напряжении смещения около 0,1 В, со-
противление транзистора лежит в пределах 0,1-1 ГОм.
Таким образом, посредством изменения напряжения
на затворе транзистор можно переключать из непроводя-
щего состояния в проводящее.
В этом разделе был рассмотрен один из вариантов моле-
кулярного транзистора. В ннстоящее время существует не-
сколько вариантов таких устройств и способов их изготов-
ления.
7А.6.
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПАМЯТИ
Существуют классы молекул, которые могут находить-
ся в двух стабильных состояниях с различными значения-
ми электропроводности. Такие молекулы могут быть ис-
пользованы в качестве переключателей или элементов
памяти. На рис. 7.32 показан пример катенановой моле-
кулы (катенановыми называются молекулы, в которых
одно молекулярное кольцо механически сцеплено с дру-
гим кольцом), состояние которой меняется при подаче
напряжения. Длина молекулы — 1 нм, ширина -0,5 нм.
Па рис. 7.32а представлено разомкнутое состояние; в
этом состоянии молекула проводит ток хуже, чем при вза-
Схематическое представление одного из вариантов
молекулярного элемента памяти
имном расположении колец, изображенном на рис. 7.326.
Напряжение, которое удаляет электрон (-е ) вызывает
окисление. Группа, содержащая атомы серы S, становит-
ся положительно ионизованной и электростатически от-
талкивается от группы, кольцо которой содержит ионы
азота N. Это приводит к повороту кольца, расположенно-
го в левой части молекулы рис. 7.32а. Молекула приобре-
тает форму, показанную па рис. 7.326. Такая форма соот-
ветствует замкнутому состоянию, так как электропровод-
ность системы колец увеличивается.
Подача напряжения обратной полярности (1 е ) вызы-
вает химическое восстановление, и молекула возвраща-
ется в состояние, представленное на рис. 7.32а.
Состояния, изображенные на рис. 7.32а, б, являются
стабильными. Под действием внешнего напряжения пере-
ход происходит быстро и обратимо. Поэтому такая молеку-
ла может быть использована для запоминания информации:
«0» — состояние рис. 7.32а, «1» — состояние рис. 7.326.'
Существует много органических молекул, способных
«переключаться» под действием напряжения или света.
7.Я.7.
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ
интегральные микр<х:хемы
Имея молекулы — проводники, изоляторы, диоды,
транзисторы, логические элементы и переключатели, мож-
но разодбатывать молекулярные интегральные схемы. Раз-
мер молекулярного транзистора равен ~1 нм. Если создать
1 Опыты проводились с упорядочевными монослоями таких моле-
кул; подллллось илпряженне -±2В.
196 II AHI ТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. в слг^иолмогли
ИМС из 10е таких транзисторов, то она будет размером с
песчинку. При этом ее производительность возрастет в 102-
10я раз, а энергопотребление уменьшится до весьма малых
величин.
Специалисты предсказывают появление молекуляр-
ных компьютеров примерно к 2015 г. Уже в настоящее
время разработано много вариантов схем молекулярного
компьютера. На 1 см1 поверхности возможно размещение
-1018 молекулярных логических элементов. Эгон 10* раза
больше плотности сборки в современных чипах. Теорети-
чески время отклика молекулярного транзистора на внеш-
нее воздействие равно -10 15 с, тогда как в современных
устройствах оно составляет -10 9 с. В итоге эффективность
молекулярного компьютера по сравнению с современны-
ми должна повыситься - в 1010 раз.
Однако ключевая проблема молекулярной электрони-
ки — это интеграция молекул в схему. Молекулярное уст-
ройство должно представлять собой сложные разветвлен-
ные цепи из атомпых группировок. Подходы к созданию
базовых элементов схем хорошо разработаны, но пробле-
ма их интеграции в порядке, обеспечивающем работу схе-
мы, еще далека от решения.
Принцип решения ясен — это должен быть процесс
самосборки, основанный на молекулярном распознавании
взаимно дополняющих структур. Такой принцип исполь-
зует природа для создания сложных функциональных
структур типа ДПК.
В настоящее время разработаны технологии некото-
рых простых процессов самосборки. Это — формирование
упорядоченных самоорганизованных пленок; синтез по
методу Мэррифилда, в котором соединяются «выходы»
одних молекул с «входами» других; получение трехмер
ных молекулярных структур типа «решеток», «лестниц»
и крестообразных структур (из молекул ДНК).
Молекулы ДНК могут быть присоединены к неорга-
ническим и органическим частицам, кремниевым поверх-
ностям. Это дает возможность создания «гибридных» уст-
ройств. Например, разработаны приемы подсоединения
панопроволок к свободным кошкам ДНК. Созданы ДНК-
Чмтв 3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 197
чипы и ДНК-матрицы — устройства, в которых цепи
ДНК закреплены на твердотельной подложке (стекло,
кремний и др.). ДНК-матрицы могут включать от 102 до
10* сайтов (участков) на поверхности чипа, размер сай-
тов — 10-100 мкм, каждый сайт содержит от 10® до 10*
аминокислотных последовательностей ДИК. ДНК-чипы
уже используются в микробиологических исследованиях.
Разрабатываются электронно-активные матрицы ДНК,
создающие регулируемые электрические поля на каждом
сайте. Поля, образующиеся при реакции гибридизации
ДНК, направляют самосборку молекул ДНК на определен-
ных сайтах поверхности чипа. Такие активные устройства
способны переносить заряженные молекулы (ДНК, РНК,
белки и др.) с заданного сайта на поверхность устройства
или наоборот (технология управляемой ДНК-самосбор-
ки). В принципе, эта технология дает возможность осу-
ществлять самосборку молекулярных схем (2-мерных
и 3-мерных). Существуют и другие методы самосборки
агрегатов молекул на твердотельных подложках.
Если использовать органические молекулы в качестве
базовых элементов в рамках традиционных схемотехниче-
ских и технологических приемов, то ключевой проблемой
является проблема контактов. В любом случае для проек-
тирования молекулярных устройств необходимо знать
электрическое сопротивление контакта «молекула соеди-
нительный проводник», характеристики молекул-диодов,
триодов, переключателей. Для экспериментального опре-
деления этих величин надо подсоединить источник тока,
амперметр, вольтметр к концам индивидуальной молеку-
лы. Некоторые методы создания контактов к молекулам
рассмотрены в следующей главе.
вопросы для САМОКОНТРОЛЯ
1. Что такое квантоворазмерный эффект?
2. Опишите простейшие виды квантовораэмерных эффектов.
3. Каковы особенности энергетического спектра 3D , 2D , JD-
и OD-алектронного газа?
4. В чем причина квантовании энергии 2Л-электронного газа в
магнитном поле?
и опубликовал на сайте: Р R Е S S I( Н Е R S О N
>98 НЛНОТКХНЫОГНЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Вм&ньг • ciuhuimmkim.
5. Какой режим переноса электронов электрическим полем в кри-
сталлической решетке называется баллистическим?
в. Как и при каких условиях возникает квантование сопротивле-
ния в металлах и полупроводниках?
7. Опишите механизм работы лазеров на двойной гетерострук-
туре.
8. Что такое резонансное туннелирование? Как работает резонанс-
но-туннельный диод?
9. Что такое полупроводниковая сверхрешетка? Какие виды
сверхрешеток вы знаете?
10. Какие применения сверхрешеток и гетероструктур нв к ввито
вых ямах вы знаете?
11. Что такое кулоновская блокада? Опишите кулоновскую бло-
каду с двумя туннельными переходами.
12. Опишите работу одноэлектронного транзистора.
13. Что такое спинт-роника? Как возникает гигантское магиитосо-
протмвление?
14. В чем состоит эффект туннельного магнитосопротивления?
15. Рассмотрите примеры применения спинтроники.
16. Что такое макромолекулярная электроника?
17. Что такое молекулярная электроника? Назоните примеры ее
использован ия.
1Ш1иаж1iiHiui<;uiiiiwflHaMi»aRUuiaMiKiniWBiiHai.'aiiaura
•8-
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
НАНОТЕХНОЛОГИЙ
8.1.
ДВА ПОДХОДА
К ИЗГОТОВЛЕНИЮ СТРУКТУР
В НАНОТЕХНОЛОГИЯХ
Существует два основных подхода к изготовлению нано-
структур, которые условно называются технологиями « свер-
ху вниз» и «снизу вверх» » (см. п. 2.5).
В технологиях по принципу «сверху вниз» посредст-
вом химической, механической или других видов обра-
ботки из объектов больших размеров получают изделия
намного меньшей величины. Пример — создание на по-
верхности кремниевой пластины схемных элементов ИМС
литографическими методами. Разрешающая способность
литографии непрерывно совершенствовалась в течение
последних десятилетий и в настоящее время приближает-
ся К 10 нм (см. п. 6.8, рис. 6.4).
В технологиях но принципу «снизу вверх» производится
сборка макроструктуры из элементарных «кирпичиков» —
атомов, молекул, кластеров, нанотрубок, нанокристаллов.
1>ги элементы в процессе сборки или самосборки должны ук-
ладываться в требуемом порядке. Пример — поштучное пе-
ремещение и укладка атомов зондом СТМ (см. п. 6.9).
Однако сборка макроскопического объекта поштучной
укладкой атомов с помощью сканирующего туннельного
микроскопа или даже нанороботов в условиях массового
производства нереальна, это потребовало бы слишком
большого времени. Методами создания макрообъектов по
принципу «снизу вверх» должны стать управляемая са
мосборка и самоорганизация, когда атомы или молекулы
сами выстраиваются в заданном порядке, как это имеет
место, например, в биологических системах (см. п. 7.8.7).
Ч.»ть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
201
200 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ ВипЬши а спгщим ыихпь
Движущая сила самосборки — это стремление систе-
мы к минимуму энергии. Если энергия системы уменьша-
ется при соединении молекул друг с другом, то молекулы
будут соединяться. Если энергия системы уменьшается
при переориентации молекул, они будут переориентиро
ваться без технологического воздействия извне. Процес-
сы самосборки идут под действием сил Ван-дер-Ваальса,
водородных связей, химических связей и других взаимо-
действий. Пример — получение счетного количества мо-
нокристаллических слоев и упорядоченных массивов на-
нокристалликов (квантовых точек) при молекулярно-лу-
чевой эпитаксии. Эти процессы рассматриваются в п. 8.2.
Молекулярно-лучевая эпитаксия — промышленная тех-
нология, которая широко применяется в современной
электронике.
8.2
ЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ
ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУР
8.2.1.
МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВАЯ ЭПИТАКСИЯ
В предыдущей главе рассмотрен ряд устройств на кван-
товых ямах и плоских гетеропереходах — лазеры, сверх-
решетки и другие многобарьерные структуры. Для нор-
мальной работы приборов на плоских ианогетерострукту-
рах необходимы резкие атомарно гладкие границы между
слоями, а толщина слоев во многих случаях должна вы-
держиваться с атомарной точностью. Очевидно, что слое-
вые гсте|хктрукт у ры могут быть получены только эпитнк -
снальным наращиванием слоев (см. п. 6.5). Но не все эпи-
таксиальные технологии могут дать границы с нужными
свойствами. Например, эпитаксии из газовой фазы проте-
кают при высоких температурах, что приводит к замет-
ной диффузии атомов в объеме и к размыванию границ
слоев. Жидкофазная эпитаксия не дает слоев, достаточно
однородных по толщине.
Для формирования плоских гетероструктур и наноге-
тероструктур используются в основном две технологии:
молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) и газофазная эпи-
таксия из металлоорганических соединений. Молекуляр-
но-лучевую эпитаксию называют также молекулярно-пуч-
ковой (МПЭ). Молекулярно-лучевая эпитаксия более до-
рогая, чем газофазная, но более совершенная, обладает
более широкими возможностями для контроля и управ
ления ростом.
МЛЭ используется главным образом для получения
высококачественных тонких пленок и гетероструктур с
нанометровыми слоями на основе полупроводниковых
соединений A3Bs, AzBe, SiGe и ряда других полупровод-
ников.
Значение технологии МЛЭ для современной электро
ники. В настоящее время оптоэлектроника, СВЧ-техника,
светотехника, электронная техника для систем телеком-
муникаций и связи рабсггают в основном на полупроводни
новых гетероструктурах и наногетероструктурах. В опто-
электронике — это солнечные элементы, ИК-фотоприем-
ники на сверхрешетках и многослойных структурах на
квантовых ямах, светодиоды и фотодиоды на сверхрешет-
ках, лазеры на сверхрешетках, квантовых ямах и кванто-
вых точках. Лазеры на подложках InP, излучающие на
длинах волн вблизи 1,3 и 1,5 мкм (диапазон максималь-
ной прозрачности оптоволокна), обеспечивают 70% ком-
муникаций Интернета. Лазеры на основе GaAs, излу-
чающие на длине волны 0.85--0.95 мкм, работают на ко-
ротких волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) и
используются для оптической записи. Быстро растет ры-
нок лазеров на основе GaAs с вертикальным резонатором
на квантовых ямах и точках со специальными многослой-
ными инте|>ференционными отражающими зеркалами.
Такие лазеры имеют малые габариты (до микронных раз-
меров), низкий пороговый ток и хорошую диаграмму на-
правленности, что обеспечивает более эффективный ввод
излучения в волокно. Количество слоев в лазерных струк-
турах может составлять несколько сотен и даже превы
шать 1000, при этом требуется высокая точность задания
толщины этих слоев (-1%). В последние годы освоено про-
изводство ярких светодиодов видимого диапазона на ос-
нове гетероструктур нитрида, фосфида и арсенида галлия
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I( Н Е R S О N |
202 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Bnrwxu, л гигц^алмихт»
для экранов, табло, сигнальных устройств, бытовой и ав-
томобильной светотехники, мобильных телефонов, фото-
и видеокамер. Преимуществом светодиодов по сравнению
с лампами накаливания является уменьшение энергопо-
требления в 5-7 раз, высокая длительность работы (до
десятков тысяч часов), управление световым потоком и
цветом.
Гетероструктурные полевые транзисторы используют-
ся в цифровом ТВ, в электронике современных систем свя-
зи, включая спутниковую и сотовую. Па основе резонанс-
но-туннельных диодов разрабатывается элементная база
сверхбыстродействующих вычислительных систем.
Приведенные примеры далеко не исчерпывают всех
применений гетеропереходов. Но и на этих примерах мож-
но видеть, сколь велико значение технологии наращива-
ния нанослоев для современной электронной индустрии.
Наногетероструктуры обеспечивают наивысшие ско-
рости пролета электронов в приборных элементах, мини-
мальные потери энергии, возможность управления шири-
ной запрещенной эоны.
Для наногетероструктурных приборов необходимы
атомарная гладкость границ слоев и достаточная резкость
изменения состава на границах. Технология МЛЭ дает воз-
можность получать слои с такими свойствами. Поэтому
полупроводниковые наноструктуры производятся в основ-
ном по технологии МЛЭ. В настоящее время МЛЭ исполь-
зуется для получения не только плоских слоев, но и упо-
рядоченных массивов квантовых точек в системах на ос-
нове А3Вй и Si(le. Лазеры на массивах квантовых точек в
системах типа А3В5 уже производятся в промышленности.
Разрабатываются ИК-фотоприемники на квантовых точ-
ках в соединении SiGe; прогнозируется их широкое при-
менение.
На ближайшее время технология МЛЭ является наи-
более перспективной. В Физико-техническом институте
им. А. Ф. Иоффе (Санкт-Петербург) продолжаются разра-
ботки лазерных структур на массивах квантовых точек с
использованием соединений A3BS и ведутся разработки ра-
ботающих в УФ диапазоне лазеров на квантовых точках
Част» 3 ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ 203
на основе широкозонного материала GaN. Эти лазеры да-
дут возможность увеличить плотность оптической записи.
В Институте физики полупроводников Сибирского от-
деления РАН (Новосибирск) методом МЛЭ выращивают-
ся сверхрешетки на основе соединений CdHgTe для фото
приемников в среднем (3 5 мкм), дальнем (8-14 мкм) и
сверхдальнем ИК-диапаэоне. В последнем случае особенно
высоки требования к точности состава и толщины слоев.
В этом же институте получают многослойные структуры
с квантовыми ямами для широкоформатных матричных
тепловизионных систем в диапазоне 8 20 мкм на основе
GaAs. Разрабатывается технология получения структур
с квантовыми точками германия в матрице кремния для
ИК-фотоприемников с параметрами выше, чем достигну-
тые на системах A3Bj, и для полевых нанотранзисторов.
Получены СВЧ-полевые транзисторы на основе гетероэпи-
таксиальных структур AlGaN-GaN.
Для телекоммуникаций особенно важны фотоприем-
ники и излучатели, работающие в диапазоне «окон про
зрачности» атмосферы — 3-5 мкм и 8-12 мкм. В США
получены И К-лазеры на сверхрешетках, которые могут
работать в диапазоне 3-12 мкм. Это каскадные лазеры,
работающие на внутризонных и на межэонных перехо-
дах (см. ц. 7.5.5). При изготовлении ИК-лазеров особен-
но жесткие требования предъявляются к толщине сло-
ев, которая должна выдерживаться с атомарной точно-
стью. В настоящее время они могут получаться только
методом МЛЭ.
Основные особенности МЛЭ. В методе МЛЭ пучки ато-
мов, являющихся компонентами растущего соединения
(или элементарного полупроводника), направляются в
сверхвысоком вакууме на нагретую подложку, где и про-
исходит синтез соединения и рост эпитаксиального слоя.
Источники пучков атомов — испарительные ячейки, в
каждой из которых содержится свой материал. Испари-
тельные ячейки называются также эффузионными ячей-
ками Кнудсена (эффузия — медленное истечение газа че-
рез малое отверстие). Основные элементы ростовой каме-
ры схематически показаны на рис. 8.1.
204 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в спецшиккост*
Чаешь 3 ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ
205
Рнс.В.1
Схема эпитаксиального наращивания (а)
и обидо схема ростовой камеры (б)
Схема на рис. 8.1а поясняет принцип эпитаксиально-
го наращивании. Здесь 1 — источник нагрева подложки 2;
4 — испарительные ячейки для компонентов наращивае-
мого соединения (Ga, In, As, Рит. д.); 5 — ячейки для
испарения легирующих элементов, определяющих тип
проводимости и величину электропроводности. I — зона
генерации атомных пучков, II — зона смешивания пуч-
ков, III — эона эпитаксиального роста.
Испарительных ячеек в камере должно быть столь-
ко, сколько необходимо для получения слоев 2-, 3-, 4- и
б-компонентных соединений (например, GaAs, AlGaAs,
InGaAsP, InGaAsSbBi) с различными легирующими эле-
ментами. Концентрации элементов в растущем слое опре-
деляются интенсивностью пучков, а интенсивность пуч-
ков задается температурой в испарительных ячейках.
Управляя температурами ячеек и подложки, можно по-
лучать слои заданного состава. Состав можно менять по-
сле завершения формирования любого слоя на подложке.
Ячейки обладают малой тепловой инерцией и быстро реа-
гируют на регулирование температуры, поэтому можно
создавать резкое изменение концентрации компонентов
и уровня легщювания в гетеропереходе. С помощью за-
слонок 3(рис. 8.1) можно в любой момент включать и вы-
ключать любой из атомарных потоков, направленных на
подложку, что позволяет получать еще более резкий про-
филь изменения состава в гетеропереходе.
На рис. 8.16 дана общая схема ростовой камеры. Ка-
мера выполнена из нержавеющей стали, при работе в ней
поддерживается давление 10 ,о-1О*12 мм рт. ст. (~10“8-
10 10 Па). Каждая ячейка 3 окружена криоэкрннами 4, ох-
лаждаемыми жидким азотом (77К), вторая криопанель 4
расположена по периферии камеры. Эти криоэкраны дей-
ствуют как дополнительная откачка. Имеются заслонки
отдельных ячеек 2 и основная (общая) заслонка 6, подлож-
ка на вращающемся держателе 7, несущем подложку и
устройство для ее подогрева. Повышение однородности
растущего слоя достигается вращением подложки; оно пе-
редается от специального двигателя через ось 11. Контроль
вакуума осуществляется измерителем 8. В камере имеют-
ся смотровые окна 10, вакуумный шлюз для смены образ-
цов 9. электронная пушка 5 и флуоресцирующий экран 1,
которые используются для контроля скорости роста, каче-
ства поверхности, ориентации поверхности и постоянной
решетки (непосредственно при эпитаксии). Скорость рос-
та— примерно один монослой в секунду, т. е. ~1 мкм/ч.
На рис. 8.2 изображена установка для МЛЭ «Катунь»,
разработанная в Институте физики полупроводников Си-
бирского отделения РАН.
На растущей поверхности происходят следующие про-
цессы:
1. Адсорбция падающих на подложку атомов. 2. По-
верхностная диффузия адсщ>би|к>ванных атомов. (Прежде
чем встроиться в решетку, атом совершает 10е-10“ прыж-
ков по поверхности.) 3. Встраивание в кристаллическую
Рас. ел
Общий вид
установки
для МЛЭ
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N
206 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Batdruur > сляиилыим-т»
решетку адсорбированных атомов основного вещества.
4. Десорбция — испарение атомов, не встроившихся в ре-
шетку.
Температура подложки определяет соотношение меж-
ду потоками адсорбции и десорбции атомов, а также ско-
рость поверхностной диффузии перед встраиванием атомов
в решетку. С ростом температуры увеличивается скорость
поверхностной диффузии, но вместе с тем увеличивается
скорость десорбции и уменьшается доля атомов ростового
вещества, попадающего в растущий слой (коэффициент
прилипания). Поэтому важен выбор оптимальной темпе-
ратуры роста и ее поддержание.
Растущая поверхность должна находиться в условиях
сверхвысокого вакуума, так как неконтролируемое встраи-
вание примесей из газовой фазы (фоновые примеси) может
привести к ухудшению электрофизических параметров
слоя. Например, при давлении азота ~10 8 мм рт. ст. ско-
рость его осаждения на подложку составляет -3 • 10й мо-
лекул/(см2 • с). Поверхность кремния содержит -3 • 1014
атомов/см2. Следовательно, для данного примера содер-
жание азота в газовой среде приводит к образованию на
подложке одного атомного слоя азота в секунду, что срав-
нимо со скоростью эпитаксиального роста.
Допустимая фоновая концентрация примеси для A3BS
составляет ~1012 атомов/см3, тогда как объемная концен-
трация атомов матрицы -IO22 атомов/см3, что на 9 поряд-
ков больше. Следовательно, давление в газовой фазе элек-
трически активных атомов примеси должно быть -10 11 мм
рт. ст. Сейчас такой уровень вакуума недостижим (дости-
гается давление 10~13 мм рт. ст.). Тем не менее, на практи-
ке степень чистоты ~1013 атомов/см3 обеспечивается, так
как часть атомов примеси отражается от поверхности, а
часть реиспаряется из-за слабого взаимодействия с атома-
ми кристалла.
Контроль растущей поверхности. Остановимся на
двух распространенных методах контроля качества рас-
тущего слоя непосредственно в процессе роста.
Дифракция быстрых электронов. Метод обеспечива-
ет непрерывный контроль качества слоев в процессе рос-
Чк-я. 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 207
та, что дает возможность своевременно корректировать
условия роста.
Пучок электронов из электронной пушки (см. устрой-
ство 5 на рис. 8.16) с энергией 10-50 кэВ падает на иссле-
дуемую поверхность под утлом 1 2” (так называемый сколь-
зящий угол). В этих условиях электроны проникают в глу-
бину всего на несколько атомных слоев, т. е. полученная
информация относится только к поверхностному слою.
Падающие на поверхность электроны испытывают ди-
фракционное отражение и попадают на флуоресцентный
экран (см. устройство 1 на рис. 8.16).
По виду дифракционной картины сразу оценивается
структура и качество растущего слоя. Например, по рас-
стоянию между дифракционными полосами определяет-
ся расстояние между атомными рядами на поверхности.
Наличие диффузного фона свидетельствует о том, что ма-
териал аморфный. Если образец — монокристалл, то ди-
фракционная картина представляет собой упорядоченную
систему световых пятен (рефлексов), если поверхность ато-
марно-гладкая — систему параллельных полос. Так, по
виду злектронограммы можно определять стадии и фикси-
ровать завершение предэпитаксиальной подготовки под-
ложки. На начальном этапе, когда поверхность покрыта
пленкой окисла, наблюдаются размытые рефлексы на диф-
фузном фоне.
С ростом температуры подложки, по мере десорбции
оксида, уменьшается диффузный фон и увеличивается
интенсивность рефлексов. При последующем отжиге по-
верхность сглаживается, и рефлексы вытягиваются в по
лосы — поверхность готова к эпитаксиальному наращи-
ванию слоев.
По виду дифракционной картины определяется на-
личие границ, двойников и других особенностей поверх-
ности.
Осцилляции интенсивности зеркально отраженно
го пучка электронов. Причина возникновения осцилля-
ций (колебаний) интенсивности пучка зеркально отра-
женных (не дифрагированных) электронов проиллюст-
рирована на рис. 8.3а.
20Н НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. ВлМ»>.иг • гпшыишогп»
Р«г. Й.З
Зависимость от времени
интенсивности I пучка
электронов. зеркально
отраженных от растущей
поверхности:
а — рост посредством сбро
эованнм и разрастания двух-
мерных островков зароды-
шей (0 — доля заполнения
островками момослоя); б —
рост посредств41М движения
«томных ступеней.
При росте по механизму образования 2-мерных заро-
дышей (рис. 8.3а) условия на поверхности периодически
изменяются со временем и поэтому периодически изме-
няется ее отражательная способность I. Максимум отра-
жательной способности соответствует полностью запол-
ненному монослою (6 — О и 0 — 1.0), т. е. отсутствию ост-
ровков. Минимум соответствует этапу, когда островки
занимают примерно половину поверхности (0 — 0,5).
Период осцилляций Т равен времени наращивания
одного монослоя.
Ч«гм> J. ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ 209
По картине осцилляций определяют скорость роста и
моменты завершения формирования слоев. Последнее
очень важно при вырапщвании структур с квантовыми
ямами. Границами ям должны быть полностью завершен-
ные слои; число слоев в яме строго определено. Поэтому
переключение заслонок (2 — на рис. 8.16) должно произ-
водиться точно в моменты полного завершения формиро-
вания слоев, т. е. в моменты максимумов интенсивности.
По картине осцилляций можно установить ухудшение
поверхности и скорректировать ее качество посредством
прерывания процесса роста в момент завершения форми-
рования слоя (заслонкой 6), либо посредством поочеред-
ного направления (с помощью заслонок 2) на подложку
потоков различных атомов.
Осцилляции интенсивности не наблюдаются при рос-
те посредством движения атомных ступеней (рис. 8.36).
Этот механизм роста проявляется при увеличении темпе-
ратуры подложки выше некоторого порогового значения.
Регулировкой температуры процесс поддерживается в нуж-
ном режиме. По характеру осцилляций можно исследовать
процессы, приводящие к изменению кинетики встраива-
ния атомов в решетку: поверхностную диффузию, накоп-
ление избытка какого-либо компонента и т. д.
Итак, установка МЛЭ представляет собой сложное уст-
ройство, обеспечивающее выращивание эпислоев с кон-
тролируемыми параметрами. Поэтому работа установки
управляется компьютером.
Основные достоинства технологии МЛЭ:
1. Возможность формирования атомарно-гладких гра-
ниц слоев, что принципиально важно для наногетеро-
структурных приборов.
2. Получение счетного количества завершенных сло-
ев, начиная с одного монослоя, что важно для структур с
квантовыми ямами. Парис. 8.4 приведена микрофотогра-
фия двух слоев А1Аз толщиной -2 нм (~6 монослоев) в мат-
рице GaAs. Изображение иллюстрирует атомную точность
поверхностей раздела.
3. Возможность получения резких скачков концент;>а
ции компонентов в слоях.
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
210 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. ferttKU* • скгцыальиоак*
Чип. 3 ОСНОВЫ НАНОЭЛККТРОНИКН
211
Рве. 8.4
Электрон но микроскопа че-
ский снимок двух слоев А1Аз
(толщиной 6 монослоев)
о матрице GaAa
4. Возможность создания
структур со сложным распреде-
лением концентрации основ-
ных и примесных элементов.
5. Наличие сверхвысоко-
го вакуума в рабочей камере
(рис. 8.1), что исключает не-
допустимо высокий уровень
загрязнения подложки и рас-
тущих слоев.
6. Низкие температуры
роста, что минимизирует диф-
фузию в объеме, размываю-
щую границы между слоями.
7. Возможность контро-
ля и коррекции роста непо-
средственно в ходе процесса,
диагностика роста, точный
контроль температуры подложки и ячеек, компьютер
ное управление параметрами процесса.
Благодаря своим возможностям, МЛЭ в настоящее вре-
мя играет главную роль в развитии технологии получе-
ния полупроводниковых наногетероструктур.
8.2.2.
ФОРМИРОВАНИЕ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК
ПОСРЕДСТВОМ САМООРГАНИЗАЦИИ
ПРИ ЭПИТАКСИИ
Упорядоченные самоорганиэованные массивы кванто-
вых точек были получены при отработке лазерных струк-
тур. Согласно теории (см. п. 7.3.5), квантовые точки име-
ют дискретный энергетический спектр и высокую плот-
ность состояний, что должно давать (при использовании
квантовых точек в качестве активной среды лазеров) боль-
шой коэффициент усиления, низкий пороговый ток и его
температурную стабильность. В течение долгого времени
предпринимались попытки изготовления квантовых то-
чек и приборов на их основе традиционными методами,
например литографией, селективным травлением струк-
тур с квантовыми ямами. На этом пути отрабатывалась
литография с предельно высоким разрешением, но кван-
товых точек с дискретным атомоподобным спектром по-
лучить не удалось.
«Настоящие» квантовые точки были получены после
смены технологии по типу «сверху вниз» на технологию
«снизу вверх», когда стали использовать эффекты само-
организации при эпитаксиальном наращивании гетеро
структур. При определенных условиях в эпитаксиальном
слое, наращиваемом на кристаллическую подложку дру-
гого вещества, образуются упорядоченные массивы кван-
товых точек. Пример такой квантовой точки германия на
поверхности кремния показан на рис. 7.36.
На квантовых точках, полученных посредством само-
организации, были впервые продемонстрированы физиче-
ские свойства, предсказанные теоретически, в частности,
специфическая дискретность их энергетического спектра.
Первые лазеры на квантовых точках были созданы в
1993 г. под руководством Ж. И. Алферова в Физико-тех-
ническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН.
Механизм процесса самоорганизации. Процесс само-
организации при эпитаксиальном росте есть следствие
стремления системы к уменьшению энергии.
Экспериментально установлено, что при осаждении
атомов на подложку из газовой фазы наблюдаются три
типа начальной стадии роста: механизм Франка-Ван дер
Мерве (слоевый рост), Фольмера-Вебера (островковый
рост) и Странского Крастанова (промежуточный тип).
1. Механизм Франка-Ван дер Мерее. Осаждаемый ма-
териал смачивает подложку, постоянные решеток прак-
тически совпадают. Происходит послойный двухмерный
рост (рис. 8.5а).
Par. ел
Схемы трех типов начальной стадии еетероэпитаксиальноео
роста. Материал В осаждается на подложку А
Ч«ст. S ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
213
212 НАНОТЕХНОЛОГИЯ Я ЭЛЕКТРОНИКЕ. ВмЭеьи» в гп^шимшгл»
2. Механизм Фольмера-Вебера. Осаждаемым матери-
ал не смачивает подложку (это материалы, различные по
свойствам, или с большим различием постоянных реше-
ток). Происходит островковый (трехмерный) рост. Мате-
риал В стягивается в наноостровки на поверхности под-
ложки А (см. рис. 8.56).
3. Механизм Странского-Крастанова (см. рис. 8.5в).
Осаждаемый материал смачивает подложку, но имеется
рассогласование постоянных решеток (порядка несколь-
ких процентов). Именно этот механизм роста использует-
ся для получения массивов квантовых точек, например
квантовых точек InAs в матрице GaAs (рассогласование
решеток 7%) или квантовых точек германия в кремние-
вой матрице (рассогласование 4%). На начальном этапе
идет послойный рост материала В на подложке А с обра-
зованием смачивающего слоя, а затем происходит пере-
ход к формированию трехмерных островков из материа-
ла В на покрытой подложке. Каждая вертикальная атом-
ная плоскость подложки продолжается в объеме островка,
но из-за |>азличия постоянных решетки материалов А и В
островок становится напряженным (используется термин
• когерентно напряженный » ).
Постоянная решетки InAs больше, чем у GaAs. При
осаждении InAs на подложку GaAs сначала формируется
слой InAs. Этотслой из-за различия решеток напряжен-
ный (ячейки как бы стремятся выгнуться). По мере уве-
личения толщины слоя упругая энергия растет, связи ме-
жду атомами слоя начинают рваться, некоторые атомы
частично освобождаются. Происходит перераспределение
материала и образуются трехмерные островки (см. рис. 8.5в).
Когда образуется островок, решетка InAs частично рас-
прямляется и получается выигрыш в энергии. Образова-
ние трехмерных островков начинается после осаждения
1,6-1,7 слоев InAs.
После осаждения четырех монослоев получается плот-
ный массив островков правильной формы. Если на ост-
ровки InAs снова нарастить GaAs, получатся квантовые
точки InAs (узкоаонный полущюводник) в матрице GaAs
(широкозонный).
Формирование массивов островков наблюдается так-
же в системах Si-Ge, InAs -InP, AlInAs-AlGaAs, PbSe-
PbTe и в ряде других.
Размер и форма островков. Для заданных услови й рос-
та существует определенный размер островков, который
соответствует минимуму энергии системы. Увеличение
или уменьшение размеров островков приводит к увеличе-
нию энергии. Большинство островков имеет одинаковый
размер, который зависит от условий роста.
Островки ограняются поверхностями с малой поверх-
ностной энергией (так называемые кристаллографические
грани с низкими индексами Миллера). Например, на под-
ложке GaAs с ориентацией (100) равновесная форма ост-
ровков InAs — это пирамидки с квадратным основанием
(рис. 8.6а).
Когда расстояние между островками становится срав-
нимым с размерами островков, начинается их упругое
взаимодействие, обусловленное проникновением в под-
ложку напряжений, создаваемых островками. Взаимодей-
ствие островков на поверхности — всегда отталкивание.
Это обеспечивает устойчивость массива островков. На уп-
руго-анизотропных поверхностях {100} островки образу-
ют квадратную сетку.
На рис. 8.66 показаны пирамидальные островки PbSe
на поверхности РЬТе (111).
Для приборных приложений массив островков должен
обладать определенными качествами: отсутствие дефектов.
Рве. R.6
Островки PbSe на поверхности РЬТе:
— схем» островка; в — схематическое вэображслис островков, полу-
ченное с помощью атомно-гютового микроскопа.
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
214 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ ВвгЛ-ких « см'чиал.ми-т»
однородность массива по форме, взаимному расположе-
нию и размерам островков, достаточная поверхностная
плотность островков. Например, для лазерных структур
необходима плотность островков -10*1 см2.
Регулированием условий роста можно изменять раз-
меры островков и их поверхностную плотность. Напри-
мер, с ростом температуры подложки увеличивается раз-
мер основания L, уменьшается высота h и уменьшается
поверхностная плотность островков. Эти параметры за-
висят также от давления паров мышьяка и других усло-
вий роста.
Подбор оптимальных условий получения островков
производится экспериментально. Существуют минималь-
ный и максимальный размеры островков, когда их мож-
но рассматривать как квантовые точки. Для системы
In As GaAs — это 4 нм и 20 нм соответственно. Минималь-
ный [шзмер ощжделяется тем, что квантовая точка долж-
на иметь хотя бы один энергетический уровень; макси-
мальный размер определяется необходимостью выполне-
ния условия » кТ.
Вертикальные массивы квантовых точек. Если пер-
вый слой квантовых точек-островков закрыть нескольки-
ми монослоями матричного материала и снова осаждать
материал островков, то новые островки — квантовые точ-
ки — будут формироваться строго над островками преды-
дущего слоя. Это объясняется тем, что из-за различия ре-
шеток осаждаемый материал матрицы над островками
оказывается упруго напряженным. Например, в матрице
GaAs над островком InAs создается максимальное растя-
жение. Так как атомы индия имеют больший радиус, чем
атомы галлия, то при осаждении атомы индия притягива-
ются к участкам поверхности GaAs с максимальным рас-
тяжением, т. е. к участкам над заращенными островками
предыдущего слоя.
Так получают вертикальные массивы квантовых то-
чек для приборных структур. Регулируя толщину осаж-
денных слоев GaAs, можно получить туннельно-связан-
ные и электронно-связанные квантовые точки в верти-
кальных массивах.
3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 216
8.2.3.
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
МАССИВОВ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК
В ПРИБОРНЫХ СТРУКТУРАХ
Первое, и наиболее широкое, практическое примене-
ние массивов квантовых точек — это лазеры на кванто-
вых точках, выполненные на основе соединений АЯВ*.
Экспериментально подтвердились все теоретически ожи-
даемые преимущества таких лазеров, в том числе низкие
пороговые токи (-10 А/см2), большие коэффициенты уси-
ления, температурная стабильность порогового тока.
Как уже отмечалось, самый востребованный на прак-
тике диапазон излучения лазеров соответствует длинам
волн 1,3-1,5 мкм (диапазон максимальной прозрачности
светового волокна). Такое излучение дают лазеры на ос-
нове InGaAsP-InP. Их недостатки — несимметричная диа-
грамма направленности, затрудняющая ввод светового
пучка в волокно, низкая температурная стабильность и
сложная технология изготовления. ДГС-лаэеры и лазеры
на квантовых ямах на основе GaAs излучают на длине вол-
ны 0,85 0,95 мкм.
На квантовых точках InAs в матрице GaAs реализова-
ны лазеры, излучающие надлине волны 1,3 мкм. Они пре-
восходят лазеры на InP по пороговому току, обеспечивают
эффективный ввод излучения в волокно, высокую темпе-
ратурную стабильность и позволяют применять групповую
технологию изготовления. Кроме того, на подложках 1пР
нельзя получать вертикально излучающие лазеры, о пре-
имуществах которых говорилось выше. Лазеры с верти-
кальным резонатором изготавливают только на подлож-
ках GaAs. Поэтому вертикальный лазер на квантовых точ-
ках 1пАч в матрице GaAs является ключевым прибором
для телекоммуникаций.
Разрабатывается вертикальный ультрафиолетовый ла-
зер на основе широкозонного материала GaN с квантовы-
ми точками InGaN. Такой лазер дает возможность повы-
сить плотность оптической записи.
Германий и кремний являются непрямозонными полу-
проводниками. Это ограничивает их применение в качест-
ве фотоприемников и излучателей. Поэтому, в частности.
216 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Ввгдгкиг » слгмшиымюпа
современная оптоэлектроника работает на соединениях
АаВ5 и АгВв- При переходе от объемного материала к кван-
товым точкам ослабляются ограничения, связанные с не-
прямоэонностью переходов. Исследования оптических
свойств гетероструктур Si-Ge с квантовыми точками гер-
мания показали, что они могут успешно конкурировать с
гетсроструктурами на соединениях АаВг>, используемыми
в качестве фотоприемников ИК-излучения. Гетерострук-
туры Si-Ge перспективны с точки зрения возможности
встраивания в кремниевые ИМС. Упруго напряженные
квантовые точки германия удается заращивать совершен-
ными по структуре слоями кремния, на которых затем
можно формировать другие элементы ИМС. Например,
для волоконно-оптических линий связи важно создание
на одном чипе всего набора компонентов, включая фото-
приемники. Тогда все компоненты могли бы быть интег-
рированы в кремниевую технологию ИМС и сформирова-
ны на кремниевых подложках.
В Новосибирском институте физики полупроводников
разработана технология создания фотоприемников для те-
лекоммуникационного диапазона длин волн 1,3-1,5мкм
на основе кремния с массивом квантовых точек германия.
Величина обнаружительной способности этих структур
сравнима с достигнутой для структур на основе А5В5 с
квантовыми точками.
Следует отметить, что во всех разработках структур с
массивами квантовых точек используется технология МЛЭ.
В 3
НАНОЛИТОГРАФИЯ
8.3.1.
ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Литографией в микроэлектронике называют различ-
ные методы микрогравировки диэлектрических, металли-
ческих и полупроводниковых слоев, используемых при
изготовлении ИМС (см. п. 6.7). Основным методом лито-
графии в технологии ИМС в настоящее время остается
фотолитография — фотохимический метод микрограви-
ровки. Кроме оптической литографии достаточно шире
Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ 217
ко используются также рентгено-, электроне- и ионоли-
тография. Это так называемые традиционные, лучевые
методы литографии. Эти методы позволили перейти к на-
номасштабам в серийном производстве ИМС (см. рис. 6.4).
Одновременно выявились реальные пределы возможности
использовать отлаженные методы фотолитографии в на-
ноэлектронике (см. п. 8.3.2), что привело к широкому по-
иску новых решений, которые могли бы обеспечить даль-
нейший прогресс в микро- и намолитографии. С 1990-х гг.
стали развиваться нелучевые методы литографии, осно-
ванные на иных подходах. Согласно прогнозам, новые
методы позволят освоить всю нанообласть в массовом про-
изводстве интегральных электронных устройств с нано-
размерными элементами. Однако в настоящее время еще
не ясно, какие из разрабатываемых методов литографии
выдержат конкурентную борьбу и станут основными в пол •
номасштабном производстве.
В данном параграфе рассматриваются возможности тра-
диционных методов литографии в папометровом диапазо-
не и некоторые нелучевые методы. В следующем парагра-
фе (8.4) рассмотрены зондовые методы нанолитографии.
8.3.2.
ОПТИЧЕСКАЯ ЛИТОГРАФИЯ
(ФОТОЛИТОГРАФИЯ!
Оптическая литография разделяется на контакт
ную и проекционную. В первом случае фотошаблон плот-
но прилегает к слою фоторезиста (см. рис. 6.1в), а во вто-
ром — изображение фотошаблона (маски) проектирует-
ся на поверхность фоторезиста с помощью специальной
оптической системы. Простота контактного способа обес-
печила методу фотолитографии широкое применение в
микроэлектронной области. Для наноэлектроники пред-
почтителен проекционный вариант, так как позволяет по-
лучить более высокое разрешение. Именно этот вариант
описывается далее.
Разрешающая способность. Разрешающей способно-
стью метода фотолитографии называется число линий N
одинаковой ширины а„,„, разделенных промежутками той
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
218 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ ВелЬкве • гяечвюижкшк
же ширины, которое можно получить на 1 мм поверхно-
сти резиста: 1000
20fnin
где а,,йп выражено в мкм. На практике разрешающую спо-
собность характеризуют также значением orni„. В дальней
шем под разрешающей способностью будет подразуме
ваться величина атич. Эта величина определяет минималь
ные топологические размеры элементовЛМС&(нлпример,
размеры униполярных транзисторов — см. рис. 6.2 и 6.4).
Фотолитография имеет физический предел разрешаю-
щей способности, определяемый для проекционной сис-
темы дифракционным критерием Рэлея, при выполнении
которого изображения двух близкорасположенных точек
нидны раздельно:
п _ *Х
(8.1)
где k — коэффициент пропорциональности, X — длина вол-
ны излучения, п — показатель преломления среды, 0 —
половина апертурного угла выхода'(рис. 8.7). Величина
nsinO называется числовой апертурой. Значения k различ-
ны для различных X и резистов (k - 0,3-0,6 для УФ-излу
чения). Проекционная система обычно работает с умень-
шением рисунка шаблона (обычно 4:1).
Из соотношения (8.1) видно, что ат1г уменьшается при
использовании более коротковолнового излучения и объ-
ектива с большей числовой апертурой (увеличение число-
вой апертуры достигается за счет уменьшения размера
экспонируемого поля). Кроме того, на величину a,rJ„ влия-
ет еще ряд факторов: качество резистов и шаблонов, пло-
скостность пластин и другие.
Рес.в.7
Взаимное раеппложе
ние элементов
проекционной
оптической системы
Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКПЮНИКИ 219
Чем короче X, тем более мелкие детали могут быть пе-
ренесены на пластину. Согласно эмпирическому правилу,
при данной длине волны X можно отобразить детали раз
мерам до Х/2. Следует отметить, что если не применяются
меры по улучшению качества изображения (например,
фазосдвигающие маски и высококонтрастные резисты),
то возможно воспроизведение лишь деталей размером в
два-три раза больше величины an,iB, определяемой соот-
ношением (8.1).
До 2003 г. в фотолитографии наиболее широко исполь-
зовалась длина волны X — 248 нм излучения KrF-эксимер
ного лазера,' чему соответствует am)n ~ 120 нм. Сейчас про-
изводители чипов переходят на использование излучения
ArF-эксимерного лазера с X = 193 нм. Крупнейшая ком-
пания, производящая чипы (чипмейкер), Intel, сообщила
в конце 2003 г. о начале производства ИМС с элементами
размером 90 нм при использовании X «-193 нм.
В дальнейшем возможен переход к излучению экси-
мерного лазера на основе молекул фтора (X “ 157 нм,
апип ~ 70 нм). Однако кварцевые линзы уже не прозрачны
для этой длины волны. Необходимы линзы из CaF2 — ме-
нее прочного, не устойчивого к внешним взаимодействи-
ям и более дорогого материала. Для X < 150 нм уже нет
прозрачных материалов, и при дальнейшем уменьшении
X неизбежен переход на зеркальную оптику с полной за-
меной литографического оборудования, что требует зна-
чительных затрат.
Так как метод фотолитографии имеет высокую техни-
ко-экономическую эффективность и степень отработанно-
сти, полупроводниковая промышленность стремится ис-
пользовать этот метод до тех пор, пока не будут исчерпаны
нее его возможности. Ведущие корпорации — IBM, Intel,
Lucent Technologies, Nippon Telephone and Telegraph и дру-
гие — вкладывают большие средства в разработку новых
вариантов фотолитографии для продвижения в область
ат1в < 90 нм. В последнее время наметилось два пути:
* Зксимсрпыни называются газоразрядные лазеры, активной средой
в которых являются молекулы галогенов инертных газов, например.
К г К, ArF и др., существующие только в возбужденных состояниях.
220 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Вегдеые е слщшиькол»
Чагм» 3 ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ
221
а 6 • «
Ряс. 8.»
Применение маски с оптической коррекцией:
а — обычная мяска, 6 — полученный (искаженный) отпечаток на пла
стане, а — миска с оптической коррекцией, г соотаетстаующий (скор
ректнровамный) отпечаток на пластине.
использование иммерсии (см. ниже) при работе на обыч-
ных степперсканерах1 и нанолитография в экстремаль
но дальнем вакуумном ультрафиолете (ЭУФ). Разрабо-
таны и применяются специальные фазоедвигающие мас-
ки и маски с оптической коррекцией.
Маски с оптической коррекцией и фазосдвигающие
маски. Такие маски применяются при работе в режиме,
близком к дифракционному пределу, и позволяют повы-
сить разрешающую способность. Действие маски сопти
ческой коррекцией поясняется на рис. 8.8. Для исправле-
ния последствий дифракции на углах и краях (рис. 8.8tf)
используется сложная форма рисунка маски (рис. 8.8а).
С помощью фазосдвигающих масок можно получать
изображение с размерами, значительно меньшими длины
волны излучения. 11рипцип действия фаэосдвигающей мас-
ки показан схематически на рис. 8.9. На рис. 8.9а приведе-
на схема обычной мнски и график распределения напря-
женности светового поля Е в плоскости маски (рис. 8.9tf).
На рис. 8.9в,г даны графики распределения напряженно-
сти светового поля и интенсивности светового поля в пло-
скости пластины соответственно. На рис. 8.9г видно, что
изображения двух отверстий в маске слились из-за ди-
фракции в одно общее световое пятно. На рис. 8.9д,е изо-
бражены фазосдвигающая маска и график распределения
1 Стелпср-скянером называется литограф, работающий по прннци
пу пошагового экспонировании с последующим сканированием.
напряженности светового поля в плоскости маски. Под
одним из двух соседних отверстий маски находится до-
полнительный слой прозрачного вещества (фазосдвигаю
щего покрытия) с оптической длиной пути Х/2. В резуль-
тате световые колебания, выходящие из левого отверстия,
отстают по фазе на л <хг колебаний, выходящих из пряного
отверстия.
На рис. 8.9ж,з приведены распределения напряжен-
ности Е и интенсивности светового поля в плоскости пла-
стины соответственно. На рис. 8.9з видно, что в этом слу-
чае изображения отверстий в маске раздельны. Так в мето-
де фазосдвигающих масок достигается разрешение линий,
ширина которых существенно меньше длины волны ис-
пользуемого излучения. Этим методом, например, было
получено разрешение апцп — 90 нм надлине волны 193 нм.
Иммерсионный метод. Возможн<х:ти традиционной
фотолитографии расширяет интенсивно разрабатываемая
идея использования иммерсии. Эффект иммерсии заклю-
чается в уменьшении длины волны X и увеличении число-
вой апертуры лашб с увеличением показателя преломле-
ния среды, заполняющей пространство между объекти-
вом и пластиной (см. рис. 8.7). Если, например, в это
пространство ввести воду (п = 1,43 при А. — 193 нм), что
не ухудшает качества воспроизводимого рисунка, то X
уменьшится в 1,43 раза(Хн — 193/1,43, Х„ — длина волны
Ряс. 8.9
Принцип Згйстаия фа.юсЗаисак>1цей маски
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
222 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ ВлгЗгыг » гыцшлъмхт
в иммерсионной среде), а числовая апертура увеличится в
1,43 раза. В итоге разрешающая способность (д„,п) увели-
чится в два раза (см. формулу 8.1).
Пал усовершенствованием иммерсионной литографии
работают ведущие компании. Так, фабрики Intel на основе
иммерсионного метода предполагают выход на технологи
ческий стандарт 65 нм. Компания IBM в 2006 г. объявила о
получении матрицы линий шириной 29,9 нм. Использо-
валось излучение с длиной волны 193 нм и иммерсионная
жидкость с п — 1,6.
Нанолитография в экстремально дальнем вакуумном
ультрафиолете (ЭУФ). Излучение ЭУФ лежит в диапа-
зоне 10-50 нм. что граничит с мягким рентгеновским из-
лучением (0,5- 10 нм). ЭУФ-нанолитография представляет
собой развитие традиционной проекционной фотолитогра-
фии и предназначена для изготовления микропроцессорных
ИМС сверхвысокого уровня интеграции —до 10B-1010 эле-
ментов на кристалле, что на 1—2 порядка выше современ
ного уровня.
Принцип действия ЭУФ нанолитографа. Нано лито-
граф работает по принципу степпер-сканера. Производит-
ся пошаговое экспонирование чипов при помощи проек-
ционной отражательной оптической системы. Схема на-
политографа приведена на рис. 8.10.
Нанолитограф состоит из четырех главных блоков.
1. Источник ЭУФ излучения — 50-1(Ю-микронное
облачко вещества мишени (кназиточечный источник 6 на
рис. 8.10) в плазменном состоянии при температуре ~ 106 К,
ионизованное до 10-20 крат (квазиточечный источник).
Плазма создается импульсным лазерным излучением
1 при его взаимодействии с мишенью. В эксперименталь-
ных ЭУФ нанолитографах применяют сверхзвуковые струи
тяжелого инертного газа Хе. Используется излучение
Хе10* на длине волны 13,4 нм. Ведутся разработки по ис-
пользованию олова в качестве мишени.
2. Узел маски (3 на рис. 8.10). Поверхность шаблона —
плоское зеркало с брэгговским покрытием (см. ниже). На
его поверхность наносится поглощающий слой (W. Та, Сг),
в котором гравируется увеличенный рисунок ИМС.
Чаги» J. ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ
3. Оптическая система.
Состоит из конденсора 2 и объ-
ектива 4. Конденсор 2 (зер-
кальный, верхнее зеркало —
коллекторное) направляет из-
лучение на шаблон 3. Объек-
тив переносит уменьшенное
изображение рисунка маски
шаблона на поверхность пла-
стины 5, покрытой резистом.
Зеркала конденсора и объек-
тива имеют расчетную кри виз
ну и брэгговские покрытия,
состоящие из нескольких де-
сятков чередующихся слоев молибдена и кремния толщи-
ной Х/4. Покрытия обеспечивают высокий коэффициент
отражения, максимум которого достигается на длине вол-
ны 13,4 нм. Все разработки используют эту длину волны.
Зеркальная оптическая система не может иметь высо-
кую числовую апертуру. Увеличение апертуры достигает-
ся за счет уменьшения поля изображения. Поэтому ЭУФ-
нанолитограф должен работать по принципу степпер-ска-
нера. Числовую апертуру можно увеличить также за счет
увеличения количества зеркал объектива. Перспективный
8-зеркальный промышленный ЭУФ-литограф по оценкам
сможет обеспечить апертуру ~0,4 и разрешение -20 нм.
4. Образец с нанесенным резистом (5 на рис. 8.10).
ВЭУФ-литографии необходимы специальные резисты с
высоким контрастом и чувствительностью, например,
кремний-водородные (силановые) полимеры, неорганиче-
ский резист AsSe.
Метод ЭУФ рассчитан на промышленное применение и в
настоящее время успешно развивается. Презентация первой
ЭУФ-установки проведена в 2001 г. консорциумом по нане-
сению рисунков на чипы. Установка позволяла получить
- 80 нм. Компании Intel, Odvanced Micro Devices и дру-
гие вложили 250 млн долларов в создание прототипа ЭУФ-
установки. Чтобы довести ЭУФ-установку до промышлен-
ного производства, потребовалось еще 2,5 млрд долларов.
224 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. ВагВгкие « слгшммыюсл»
В настоящее время достигнуто разрешение ~30 нм.
Ожидается, что к 2014-2016 гг. промышленные ЭУФ-на-
нолитографы дадут разрешение ~20 нм, а в последующие
гады — до 10 нм.
Таким образом, фотолитография еще не исчерпала сво-
их возможностей. Объем рынка электроники, основанной
на кремпии, составляет несколько триллионов долларов
в год. Гкхггому, по крайней мере н ближайшее десятиле-
тие, полупроводниковая промышленность будет продол-
жать идти по пути усовершенствования высокоэффектив-
ной фотолитографии.
ЭЛЕКТРОННО ЛУЧЕВАЯ ЛИТОГРАФИЯ
Электронно-лучевая литография (ЭЛЛ) — промыш-
ленная технология, имеющая высокую разрешающую спо-
собность. Основные области применения: 1) технология
ИМС с размерами элементов менее 100 нм; 2) изготовле-
ние шаблонов для рентгенолитопжфии и фотолитографии
в дальнем ультрафиолете.
Принципы и основные этапы электронол итог рафии
и фотолитографии аналогичны, различие в том, что в
ЭЛЛ вместо световых потоков для экспонирования ис-
пользуются пучки электронов, ускоренных электриче-
ским полем.
Электронно-лучевая литография в настоящее время
рассматривается как один из альтернативных методов нн-
нолитографии, поэтому интенсивно ведутся разработки по
усовершенствованию и увеличению разрешающей способ-
ности ЭЛЛ.
Важнейшее достоинство метода — отсутствие дифрак-
ционных ограничений на разрешающую способность. Для
экспонирования используются высоковольтные пучки (ус-
коряющее напряжение составляет 10-200 кВ) и низко-
вольтные пучки (ускоряющее напряжение равняется 1-
10 В). В первом случае процесс проводится на специаль-
ных установках или с помощью пучков сканирующих
электронных микроскопов. Во втором случае используют-
ся пучки сканирующих туннельных микроскопов. Длине
3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 225
волны де Бройля электронов, движущихся со скоростью
щ равна: y_hh h
т» у]2тЕми <j2meU'
где U — ускоряющее напряжение, т — масса электронов.
При средних значениях U — 50 кВ и U = 5 В находим
X «0,6-10'* нм и X® 0,6 нм соответственно, что много мень-
ше реальных значений On,ln. Поэтому дифракционные ог-
раничения при использовании ЭЛЛ в наноэлектронике не
возникают, что следует из формулы (8.1). Благодаря ма-
лости X, электроны могут быть сфокусированы в пучок
диаметром -1 нм.
Высоковольтные пучки, проникая в подложку, созда-
ют в поверхностном слое полупроводника высокую плот-
ность радиационных дефектов. Это сказывается на каче-
стве элементов ИМС. При понижении энергии электронов
глубина проникновения в подложку уменьшается, плот-
ность радиационных дефектов снижается. ЭЛЛ присуща
большая глубина резкости передаваемого изображения,
поэтому не происходит искажения рисунка при увеличе-
нии глубины рельефа или неплоскостности пластины.
На практике применяют два вида ЭЛЛ — сканирую-
щую и проекционную.
Сканирующая электронно-лучевая литография. В этом
методе сфокусированный пучок электронов, управляемый
компьютером, перемещается по поверхности подложки,
покрытой резистом, вычерчивая заданный рисунок. Ме-
тод является серийным и применяется в тех случаях, ко-
гда оптическая литогрнфия не удовлетворяет требовани-
ям по точности совмещения и глубине фокуса.
Достоинство метода — возможность наносить рису-
нок на резист без шаблона.
Недостаток — длительность формирования рисун-
ка, что ограничивает производительность метода. Ско-
рость движения луча, в зависимости от тока в пучке и
чувствительности резиста, может меняться в пределах
1 мкм/с-1 мм/с. Скорость лимитируется тем, что облу-
чение участка резиста должно проявляться на полную
глубину слоя. Для этого доза облучения должна быть
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
Чаешь 3. ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ
227
226 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛ ЕКТРОНИКЕ. Вягдгкш • сппцммкмяи,
достаточно высокой. (Чувствительность резиста рнвка
этой дозе, выраженной в Кл/см2.)
Разрешающая способность сканирующей ЭЛЛ. В на-
стоящее время промышленные установки и сканирую-
щие электронные микроскопы работают в интервале на-
пряжений 100 200 кВ при диаметрах пучка 1 10 нм.
С использованием чувствительных резистов получают
amin — 30 нм с высокой степенью воспроизводимости. Ис-
следования показывают, что можно достичь разрешения
менее 10 нм.
Роль электронорезистое. Так как дифракционный
предел практически не играет роли, а сфокусированный
электронный луч имеет диаметр -1 нм, то ограничения
разрешающей способности ЭЛЛ обусловлены свойствами
резиста. Во-первых, при экспонировании происходит рас-
сеяние первичных и вторичных электронов во все стороны
от направления первичного пучка, в резист проникают так
же электроны, отразившиеся от подложки. В результате
область экспонирования расширяется. Во-вторых, при
близком расстоянии между соседними линиями области
рассеяния электронов перекрываются, и может произой-
ти искажение рисунка или слияние соседних линий (эф-
фект близости). Для улучшения разрешения необходимо
наносить тонкие (< 50 нм) слои резиста или увеличивать
ускоряющее напряжение.
Наиболее широко используется в качестве резиста по-
лиметилметакрилат (ПММА). Чувствительность ПММА
-10 4 Кл/см2, разрешающая способность -10 нм при ми-
нимальном расстоянии между линиями 30-50 нм. С це-
лью повышения разрешающей способности электронно-
лучевой литографии разрабатываются новые резистивные
материалы. Ниже приводятся примеры резистов ультра-
высокого разрешения.
1. Диоксид кремния (SiO2). Обеспечивает - 7-10 нм
при минимальном расстоянии между линиями 10 11 нм.
Облучение вызывает увеличение скорости травления SiO? в
травителях, содержащих HF. Недостаток резиста — малая
чувствительность(2 4 Кл/см2), которая ограничивает его
практическое применение.
2. Фтористо литиевый резист (LiF), легированный
молекулами A1F3. На облученных участках резист улету-
чивается. Для слоя резиста толщиной 40 нм получено раз-
решение 3-4 нм при таком же расстоянии между линия-
ми. Для LiF необходима доза облучения в 30 раз больше,
чем для ПММА-резиста.
3. Органические резисты, например а метилстирол.
Разрешающая способность С Ю нм при толщине резистов
20 -30 нм. Однако чувствительность на порядок ниже, чем
у ПММА-резиста.
Пример примененияЭЛЛ для формирования нанострук
тур. Изготовлялись квантовые проволоки ТподеЛао^Ая
высокого качества при помощи пучков электронного
микроскопа (200 кВ). Для таких высоких энергий элек-
тронов эффект близости значительно ослабляется, что
позволяет получать низкоразмерные структуры с малым
периодом.
11а буферный слой 1пР толщиной 200 нм эпитаксиаль-
ным методом наращивался слой InGaAs толщиной 5 нм, а
затем — слой InРтолщиной 8 нм. Квантовая яма образова-
на слоем узкоэопного InGaAs между двумя широкозонны-
ми слоями InP. На верхний слой 1пР наносился слой рези-
ста ПММА толщиной 100 нм и экспонировалась система
параллельных полос шириной 15 нм с расстоянием между
пими 60 нм. После проявления резиста сверху наносился
слой золота толщиной 20 нм. Затем резист, оставшийся
после проявления, покрытый золотом, удалялся, и на верх-
нем слое InP оставались по-
лоски золота шириной 15 нм,
служившие масками при по-
следующем травлении. Трав-
лением удалялся материал ме-
жду масками с заходом в ниж-
ний слой InP. В результате из
квантовой ямы вырезались
квантовые проволоки шири-
ной 16-18 нм. Слой InGaAs
толщиной 5 нм расположен на
8 пм ниже верха структуры.
Рас 8.11
Электронам и крофотография
квантовых проволок,
полученных с помощью ЭЛЛ
228 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Неевеше « слгцшлыохя»
При ориентации проволоки направлении [011]стенки про-
волок были практически вертикальными. Пн рис. 8.11
приведена микрофотография рассматриваемой структуры,
полученная с помощью сканирующего электронного мик-
роскопа.
Увеличение производительности сканирующей ЭЛЛ.
Как уже отмечалось, промышленные установки с высо-
ковольтными пучками обеспечивают разрешение 30 нм.
Исследования показывают, что, в принципе, возможно
достичь разрешения менее 10 нм. Однако производитель-
ность сканирующей ЭЛЛ низка, она ограничена скоростью
сканеров, а последняя во многом зависит от чувствитель-
ности резиста. Один из способов увеличения производи-
тельности — использование матрицы параллельных элек-
тронных пучков для формирования рисунка на большой
площади (рис. 8.12). Указанные пучки создаются систе-
мой электронных микропушек. Микропушки содержат
источники электронов, фильтры, микролинзы.
Использование матриц предъявляет жесткие требова-
ния к характеристикам каждого источника электронов по
интенсивности и методам управления пучком. Уменьше-
ние времени экспонирования сдерживается ограничения-
Матрича
Пластана &
Рас. в.12
Схема матрицы параллельных
электронных пучков для прямого
нанесения рисунка на пластину
Рас. В.13
Схема проекционной
системы SCALPEL
Часть 3 ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ 229
ми величины тока на пучок, так как источники должны
работать при низких энергиях.
Другой способ увеличения производительности — раз
работка высокочувствительных резистов.
Проекционная электронно лучевая литография SCAL
PEL. Существенно более высокую производительность в
наноэлектронном диапазоне может дать проекционная
электронно-лучевая литография, которую отличают вы-
сокое разрешение, большое поле изображения и значи-
тельная глубина фокуса. Применение этого метода сдер-
живало две причины: 1) разогрев масок в результате по-
глощения электронов падающего пучка непрозрачными
участками; 2) отсутствие электронной оптики, которую не
требовалось бы менять в связи с увеличением диа метра пла-
стины и уменьшением минимальных размеров элемента.
В 1997-1999 гг. фирмой Bell Laboratories— Lucent
Technologies разработана новая проекционная ЭЛЛ, не
имеющая указанных недостатков; она названа «SCAL-
PEL» (Scattering with Angular Limitation Projection Elec-
tron beam Litography - проекционная электронно-лучевая
литография с ограничением по углу рассеяния). Разработ-
ки производились с расчетом на промышленное примене-
ние. Программа SCALPEL — комплексная и включает раз-
работку литографического оборудования, масок и рези-
стов. Главное отличие метода SCALPEL— в конструкции
масок и методике экспонирования. В соответствии с кон-
струкцией масок литографический процесс проводится
по принципу степпер-сканера. Предельная разрешающая
способность метода — 35 нм. Она ограничена взаимодей-
ствием электронов в пучке, приводящим к его «размазы-
ванию». По производительности SCALPEL-литография
сравнима с фотолитографией, но имеет более высокую раз-
решающую способность.
Рассмот рим принципиальные особенности проекцион-
ной системы, конструкции масок и методики экспониро-
вания SCALPER
Проекционная система. Схема проекционной систе-
мы приведена на рис. 8.13. Пучок электронов 1, ускорен-
ный разностью потенциалов 100 кВ, падает на маску 2.
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
230 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Втйети а гашиш*ла
Чист» 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
231
На рисунке маска схематически представлена как че-
редование участков - прозрачных (мембрана) и непро-
зрачных (рисунок). Рисунок выполнен из материала, силь
но рассеивающего электроны. Масштаб рисунка маски —
4:1 относительно масштаба изображения. Маска распо-
ложена в фокальной плоскости электронной линзы Лр
Диафрагма 3, расположенная и фокальной плоскости
линзы Л2, задерживает основную часть рассеянных элек-
тронов (линзы Л! и Ла — магнитные). Таким образом, ос-
новная часть энергии падающего пучка поглощается не
маской, а диафрагмой. Маска не поглощает, а рассеивает
электроны пучка — в этом ее отличие от обычных фото-
шаблонов. Электроны, прошедшие через диафрагму, фор-
мируют высококоптрастное изображение 4 на пластине 5.
Функции создания контраста и поглощения энергии раз-
делены между маской и диафрагмой.
Поддержим юфв«
К0ЛЫ4О Ог<фЬ
Рве. 8.14
Маска для метода
SCALPEL
Конструкция масок. Изо-
бражение маски с ее попереч-
ным сечением приведено на
рис. 8.14. Мембраны масок
SCALPEL обычно представ-
ляют собой пленки из нитри-
да кремния толщиной 100 нм.
Они практически прозрачны
для электронов пучка с энер
гией 100 кВ.
Однако маек и па столь тон-
кой мембране не могут быть
плоскопараллельными на большой площади. Поэтому ис-
пользуются специальные поддерживающие структуры,
предотвращающие прогиб маски, — опорные решетки.
Маска располагается на решетке из кремния (рис. 8.14),
рисунок маски состоит из сегментов — участков между со-
седними полосками (опорами). Расстояние между соседни-
ми опорами -1 мм, толщина опоры -0,2 мм, длина одного
сегмента -3 мм. Решетка опор формируется литографиче-
ским способом. Рассеивающие элементы рисунка также
наносятся литографически и состоят из двух слоев, напри-
мер, 10 нм — слой хрома и 50 нм — слой вольфрама.
PMC.K1S
Схема экспонирования со сканированием электронного
луча методом SCALPEL:
а — поперечное сечение луча в пределах первого и второго сегментов;
б — распределение дозы облучения поперек сегментов 1 и 2; в — сег
менты Z и 2 после совмещении; г — результирующее распределение
дозы облучения в пределах двух соамещеяиых сегмента*.
Перенос изображения на пластину. При переносе ри-
сунка на пластину соседние сегменты рисунка должны
быть непрерывным образом соединены друг с другом, а
изображения опор исключены. Экспонирование произво-
дится пошаговым методом, т. е. по сегментам. Схема экс-
понирования показана на рис. 8.15.
На рис. 8.15а вертикальные стрелки указывают на-
правление сканирования электронного луча, горизонталь-
ная (пунктирная) стрелка — направление механического
сканирования маски. Когда весь сегмент проэкспониро-
ван, производится смещение маски так, чтобы луч попал
на следующий сегмент (рис. 8.15а). На время смещения
маски сканирование луча прерывается.
На рис. 8.15 показано, как при помощи специальной
формы поперечного сечения луча создается распределе-
ние полученной дозы излучения в виде трапеции. В нала-
гающихся краевых областях соседних сегментов, отмечен-
ных пунктиром и однократной штриховкой (например. 3
и Г на рис. 8.15а), рисунок маски точно повторяется. Эти
232 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Вяевгпие е гвпишыи».
области перекрываются при смещении маски и экспони-
руются, хотя и не полно, но дважды (см. рис. 8.15в — два-
жды заштрихованная полоса 3, /'). В итоге (см. рис. 8.15г)
распределение дозы облучения резиста поперек экспони-
рованных сегментов оказывается равномерным, а рисун-
ки соседних сегментов — «сшитыми».
Технология SCALPEL — сложная и дорогостоящая, но
она значительно превосходит по производительности ска-
нирующую электронно-лучевую литографию, основанную
на использовании сфокусированного луча. Внестоящем
пособии SCALPEL-технологии уделено внимание потому,
что она иллюстрирует те технические усложнения, на ко-
торые идут разработчики новых методов литографии, что-
бы продвинуться в область наномасштабов.
8.3.4.
РЕНТГЕНОЛИТОГРАФИЯ
Принципы и основные этапы рентгене литографии и
фотолитографии одинаковы, но в рентгенолитографии для
экспонирования резистов используется рентгеновское из-
лучение. Рентгенолитография используется для изготов-
ления наноструктур, но из-за сложности и дороговизны
оборудования и технологии пока пе применяется в серий-
ном производстве. Достоинства рентгенолитографии —
высокая разрешающая способность и высокая производи-
тельность, обусловленная малым временем экспонирова-
ния и возможностью получения изображения на больших
площадях. Кроме того, рентгеновское излучение облада-
ет уникальным свойством — поглощаться без рассеяния.
Это обеспечивает вертикальность профиля изображения
в резисте, отсутствие эффекта близости.
Диапазон длин волн, используемых для экспонирова-
ния — 0.5 5 нм. Верхняя граница обусловлена необходи-
мостью ослабить влияние дифракции. Жесткое рентгенов-
ское излучение (X < 0,5 нм) вызывает возникновение фо-
тоэлектронов н подложках и их проникновение обратно в
резист. При поглощении излучения в резисте также воз-
никают фотоэлектроны, которые производят дополни-
тельное экспонирование.
Чает» 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 233
Электронные эффекты и дифракция сказываются при
размерах деталей маски менее 20 нм. Этими размерами и
определяется разрешающая способность рентгеиолито-
графии.
Источни ками рентгеновского излучения являются либо
мишень, бомбардируемая пучком электронов, либо син-
хротрон (циклический ускоритель элементарных частиц),
в котором по круговым траекториям движутся электроны
с околосветовыми скоростями. Интенсивность рентгенов
ского синхротронного излучения в тысячи раз превосхо-
дит интенсивность излучения мишени.
Расходящиеся пучки излучения мишеней имеют ма-
лую интенсивность в плоскости подложки. Резисты высо-
кого разрешения, например ПММА, имеют низкую чув-
ствительность. Поэтому необходима длительная экспози-
ция, что снижает производительность. С другой стороны,
стоимость синхротронов очень велика.
Серьезной проблемой в рентгенолитографии является
технология изготовления шаблонов, которая еще продол-
жает разрабатываться.
Проблемы контактной литографии связаны с искаже
пнем размеров, смещением элементов рисунка из-за рас-
ходимости пучка и трудностями изготовления масок, с
достаточной точностью прилегающих к поверхности пла-
стины.
В проекционной рентгеновской лито|*рафии необхо-
дима зеркальная оптика. Поверхности соответствующих
зеркал должны соответствовать расчетной кривизне в
пределах у
8-Jn’
где N — число зеркал. Например, при А' = 4 допустимые
отклонения составляют 0,3 нм для Х = 4,5 нм, а каждое
зеркало может поглощать —40% падающего излучения.
Это также затрудняет применение рентгенолитографии в
нанотехнологии. Однако в последнее время методами
МЛЭ созданы зеркала с многослойными покрытиями —
брэгговские зеркала. Чередующиеся атомарногладкие на-
нослои с большим и малым поглощением (Мо-С, W-S1)
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
Чисть 3 ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ
235
234 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Keefrxut « слтаиальлогть
обеспечивают высокие коэффициенты отражения. Созда
ние многослойных рентгеновских зеркал расширяет воз-
можность применения рентгенолитографии в нанотехно
логиях.
й.3.5.
ИОНОЛИТОГРАФИЯ
Принцип и основные этапы технологии такие же, как
в других видах традиционной литографии. Экспонирова-
ние производится ионными пучками: широким пучком,
сфокусированным пучком или через проекционную сис-
тему на основе промышленных установок ионной имплан-
тации (см. п. 6.6).
Фокусированные ионные пучки используются для ри-
сования по резисту и могут применяться для непосредст-
венной модификации подложки. В связи с тем, что иоп-
ный пучок создает дефекты в поверхностном слое, в не-
сколько раз изменяется скорость растворения подложки
в некоторых растворителях. Поэтому создается возмож-
ность отказаться от резиста, так как поверхностные слои
материалов сами ведут себя как резисты.
Обычно при ионной литографии используют те же ре-
зисты, что и в электронографии; для экспонирования при-
меняются легкие ионы Н', Не**. Длина пробега легких
ионов с энергиями 50-100 кэВ примерно равна толщине
резиста, используемой в технологических процессах.
Ионы всю энергию передают резисту и не проникают в
подложку, как электроны. Поэтому чувствительность ре-
зистов к ионному пучку на 1,5-2 порядка выше, чем к
электронному, время экспонирования ионным пучком
значительно меньше, и соответственно — выше произво-
дительность процесса литографии. Разрабатываются так-
же специальные резисты.
В ионолитографии отсутствует дифракционное огра-
ничение, так как из-за большой массы ионов длина волны
де Бройля для ионов на 1,5 порядка меньше, чем для элек-
тронов при тех же ускоряющих напряжениях. Ионные
пучки не испытывают обратного рассеяния, вторичные
электроны в резисте имеют малую энергию, а следователь-
но, — малую длину свободного пробега. Пучок тяжелых.
по сравнению с электронами, ионов испытывает слабое
угловое рассеяние. Благодаря этим факторам иополито-
графия обеспечивает разрешение до 10 нм.
Проекционные установки имеют высокую разрешаю-
щую способность и производительность. Однако из-за
сложности создания источников ионов, систем развертки
и фокусировки ионных пучков метод пока не получил рас-
пространения в серийном производстве.
И МIIРИ НГЛИТОГРАФИЯ
Развитие методов традиционной лучевой литографии
с целью выхода в нанометровый диапазон требует огром-
ных финансовых вложений, что может быть экономиче-
ски оправдано только при массовом производстве продук-
ции, например микросхем процессоров или памяти. Им-
принт-литография1 — более простая и дешевая технология,
основанная на ином подходе к производству нанолитогра-
фической продукции. Она основана на прессовании рези-
ста в формах с последующим переносом рисунка на пла-
стину полупроводника. При импринт-литографии изо-
бражение в слое резиста создается за счет физической
деформации резиста, а не за счет модификации химиче-
ской структуры резиста посредством облучения. Роль
шаблона играет пресс-форма (штамп).
Принципиальная схема метода. Последовательность
формирования рисунка на резисте показана на рис. 8.16;
она включает несколько этапов.
1. На подложке 1 при помощи центрифуги создается
плоскопараллельный слой резиста 2 (см. рис. 8.16а).
2. Композиция нагревается до температуры размягче-
ния отвержденного резиста. Штамп 3(см. рис. 8.166) вдав-
ливается в слой резиста, который заполняет углубления
на штампе.
3. Система охлаждается до температуры ниже темпе-
ратуры затвердевания резиста, и штамп поднимается.
* ДрУ’-"* названия — нанооечать, наионмпрннтная литография, па
нопачатвая литография, импринтинг.
Чагш* 3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
237
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение « гявкшлыкить
Р»с в. 16
Этапы перенесения рисунка на резист
в импринт литографии
25мм
Р»е. 8.17
Электронные микрофотографии отверстий
п резисте:
а — после импринтинг*; б — после напыления металла
и удаления резиста.
Возникновение ня резисте выступов соответствует углуб-
лениям штампа. В местах, где были выступы штамнн, ос-
тается слой 4 резиста толщиной 10-20 нм (рис. 8.16в).
4. Удаляется остаточный слой резиста (реактивным
ионным травлением); в окнах резиста (5 на рис. 8.16г) по-
верхность подложки оказывается открытой.
Через окна в резисте может производиться травление
подложки, напыление металла или ионная имплантация,
после чего резист удаляется. Время одного цикла 10
15 минут. На рис. 8.17а,б представлены электронные мик-
рофотографии отверстий в резисте НММА после имприн-
тинга и поверхность подложки после напыления металла
в отверстия и удаления резиста.
На рис. 8.18 приведена элек-
тронная микрофотография поло-
сок металла нн подложке после
импринтинга и напыления. Для
полос характерны гладкость и ост-
рые углы, что недостижимо при
традиционных методах.
Резисты. Используются орга-
нические термопластичные мате-
риалы, например ПММА, поли-
стирен и материалы, разработан-
ные специально для импринтинга
(шг-1.6000, mr-18030). Толщина
резиста обычно изменяется в пре-
делах 50-200 нм, в зависимости от
задачи. Выбор режимов измене-
ния температуры и давления во
Рас. 8.16
Электронная микрофо
тография полосок
металла на подложке
после импринтинга и
напыления. Ширина
полое — 70 нм, высо
та — 200 нм
время процесса производится с учетом механических и по-
верхностных свойств резиста и штампа. Например, для
ПММА оптимальны рабочая температура 200°С и давле-
ние 13 МПа.
Штампы. В качестве материала штампов используют
кремний или слой SiO2 на кремниевой подложке. Для ри-
сунков с деталями размером -10-20 нм применяют метал-
лические штампы, изготовленные с помощью электрон-
но-лучевой литографии с последующим напылением ме-
талла на подложку в отверстия резиста. Ширина и высота
выступов могут быть различными для разных задач. Обыч-
но ширина линий лежит в пределах от 10 им до несколь-
ких мкм, высота — от 50 нм до нескольких сотен нано-
метров.
Один из методов получения штампов — интерферен
циоиная литография. Метод используется для изготовле-
ния штампов в виде одномерных решеток или массивов
точек с треугольной и квадратной симметрией. Для этого
экспонируется интерференционная картина, создаваемая
суперпозицией двух, трех или четырех лучей соответст-
венно. Период А полученных решеток определяется дли-
ной волны ихтучения X и углами 0 и <р (см. рис. 8.19).
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
238 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Введение « сл/цгииыюож.
Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЗЛВКТРОНИКИ
239
С>д•сморчао реилгткса Треугольна* решетча Кгялрог«иг р-илти
Рже. 8.1»
Схема ориентирования лазерных лучей при получении одномерных
решеток и массивов точек г треугольной и квадратной симметри
ей (а); изображения в фоторезисте, получаемые в результате
интерференции двух. трех и четырех лучей соответственно (О)
Полученные изображения используют для создания
твердого штампа, с помощью которого формируют рель-
еф в термопластичных материалах.
Применение импринт литографии. Ее разрешающая
способность определяется главным образом минимальны-
ми размерами деталей на штампе. Этим методом можно
получать структуры с размерами до 10 нм.
Импринт-литография имеет ряд очевидных преиму-
ществ. Здесь не используют пучки электронов, фотонов и
ионов, поэтому нет проблем, связанных с дифракцией,
рассеянием первичных и вторичных электронов, с хими-
ческими процессами в резисте. Импринтинг не только
имеет разрешающую способность до 10 нм, нои позволяет
наносить рисунок сразу на площади порядка нескольких
квадратных сантиметров, что дает высокую производи-
тельность. Наконец, импринтинг — более простая и де-
шевая технология посравнению с традиционной литогра-
фией в нанометровом диапазоне.
Недостатки импринт-литографии — износ штампов и
сложность точного совмещения структур на подложке.
когда применяется несколько последовательно выполняе-
мых этаповлитографии. Например, в производстве чипов
требуется совмещение с точностью до малых долей разме-
ра самого мелкого элемента.
Импринтинг может быть эффективным методом в об-
ластях с менее жесткими требованиями, например, при
формировании периодических поверхностных структур,
гребенчатых электродных структур, в органической оп-
тоэлектронике, производстве сенсоров, нанобиотехноло-
гии. Такие быстро развивающиеся области, как микро- и
наноструйиая техника, лаборатории-на-чипе также нуж-
даются в высокопроизводительной нанотехнологии с низ-
кой стоимостью, подобной наноимпринтингу.
Так как с помощью импринтинга можно создавать на
подложках рисунки с высокой плотностью деталей нано-
метровых размеров, то его можно рассматривать как ме-
тод создания устройств для хранения данных. Например,
детали диаметром 10 нм, расположенные на расстоянии
10 нм друг от друга, дают плотность записи 0,15 Тбит/см2.
Разрабатывается способ нанесения рисунка методом
импринтинга непосредственно на поверхность кремния,
без использования резиста и без травления. Метод назван
« прямой импринтинг с помощью лазера ». Импульс излу-
чения XeCl-эксимерного лазера (X = 308 нм) длительно-
стью 20 нс проходит через кварцевый штамп (не погло-
щающий излучения) и расплавляет поверхностный слой
кремния толщиной ~300 нм в течение пикосекунд. Этот
слой остается расплавленным в течение сотен наносекунд.
В него вдавливается кварцевый штамп. После затверде-
вания кремния штамп отделяется. Разрешающая способ-
ность может быть менее 10 нм.
а
Гмс. 8.20
Электронные
микро
фотографии:
а — кварцевый
штамп, б — фор-
момгтая поверх-
ность крвмккя.
240 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ ВаЮехм е смчшмюст»
На рис. 8.20 приведены электронные микрофотогра-
фии штампа (а) и формованной структуры на кремнии (б).
Формованная структура полностью повторяет штамп,
углы резкие и прямые.
В заключение отметим, что в настоящем разделе за-
тронуты лишь достаточно разработанные и более или ме-
нее универсальные методы нанолитографии, области воз-
можного применения которых сравнительно широки.
Разрабатываются, кроме того, методы литографии ча-
стного применения. К ним относится, например, литогра-
фия на нанопроволоках. Этим методом изготавливаются
проволоки с пазами шириной от 5 до 200 нм, в которые
можно помещать слои вещества соответствующей толщи-
ны и исследовать их электрические свойства (если паз пус-
той, то проводимость отсутствует). Методика получения
проволок с нанопазами многостадийна и сложна. Ее мож-
но использовать для решения исследовательских задач.
Разрабатываются также принципиально новые мето-
дики нанолитографии широкого применения. К ним от-
носятся, например, метод молекулярной литографии (с ис-
пользованием молекул ДНК) и метод, основанный на атом-
но-лучевой голографии. Подобные методы пока далеки от
возможности их массового использования в ближайшей
перспективе.
Какие из методов литографии станут основными в на-
ноэлектронике, выяснится в ходе естественной конкурен-
ции между ними.
8.4.
ЗОНДОВЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ
8.4.1.
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ СКАНИРУЮЩЕЙ
зондовой МИКРОСКОПИИ
В настоящее время сканирующая зондовая микроско-
пия (СЗМ) является одним из наиболее эффективных мето-
дов исследования атомной структуры и локальных свойств
поверхности. СЗМ основана на сканировании поверхно
сти твердотельным зондом с тонким острием. Радиус
кривизны острия 10 -20 нм, в некоторых устройствах мо-
У«ся. 3 ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ 241
жег быть менее 10 нм. Расстояние от острия зонда до по-
верхности в различных устройствах и при различных ре-
жимах работы изменяется в пределах 0,2 10 нм.
Зонд может взаимодействовать с поверхностью по-
средством туннельного тока, теплообмена, межатомных,
электрических или магнитных сил. Перечисленные взаи-
модействия положены в основу функционирования различ-
ных видов сканирующих зондовых микроскопов: туннель-
ного, атомно-силового, теплового, микроскопа на электро-
статических силах, на магнитных силах и т. д. В каждом
случае локальное взаимодействие движущегося зонда с
поверхностью сопровождается специфическим сигналом.
По совокупности сигналов, полученных при сканирова-
нии, создается изображение поверхности и одновременно
может определяться поверхностное распределение иссле-
дуемой величины, например намагниченности, электро-
проводности, температуры, напряженности электрическо-
го или магнитного поля. Метод СЗМ обладает высокой раз-
решающей способностью (вплоть до атомной).
С другой стороны, разработаны методы направленно
го и контролируемого воздействия зонда на поверхность,
например посредством сверхсильных электрических по-
лей и сверхплотных токов в области острия, локального
массопереноса, локальных химических реакций, наноин-
дентирования. На этих воздействиях основан ряд зондо-
вых нанотехнологий, в том числе локальная модифика-
ция поверхности, нанолитография, сверхплотная запись
информации, исследование механических свойств веще-
ства и другие. Нанолитография достигает своего предель-
ного разрешения, когда с помощью зонда производится
перемещение и позициони|юнание отдельных атомов.
Способы и приемы формирования, модификации и
позиционирования элементов нанометровых размеров на
поверхности подложек при помощи зондов с острием ле-
жат в основе зондовых нанотехнологий. Современный
зондовый микроскоп позволяет реал изовать до 50 различ-
ных методик исследования и технологических операций.
Зондовые технологии обладают предельной локально-
стью, возможностью неповреждающего взаимодействия
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
Часть 3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
242 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Bondur « елгнояшемя»
с поверхностью при ее исследовании, визуализацией на-
нотехнологических операций на поверхности.
Развитие традиционных методов литографии (см. п. 8.3)
может привести к созданию ИМС с элементами менее 10 нм.
Развитие зондовых методов открывает перспективы соз-
дания элементов на основе отдельных атомов и молекул.
Недостатком всех зондовых технологий является пока их
низкая производительность.
Зондовые методы исследования и нанотехнологий при-
меняются в диагностике полупроводниковых структур,
исследовании процессов эпитаксиального роста, сверхчув-
ствительной сенсорике, медицине, биологии и т. д.
Ниже описываются принципы работы двух основных
видов сканирующих зондовых микроскопов: туннельно-
го и атомно-силового, приводятся типичные примеры их
использования в нанотехнологиях.
8.4.2.
СКАНИРУЮЩИЙ
ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) изобре-
тен сотрудниками швейцарского отделения IBM Г. Бин-
нингом и Г. Рорером в 1981 г. (Нобелевская премия 1986 г.).
По первоначальному замыслу этот микроскоп был пред-
назначен для исследования структуры и профиля поверх-
ностей с атомным разрешением. В основу принципа дей-
ствия СТМ положена резкая зависимость туннельного тока
от ширины потенциального барьера. Сейчас СТМ и дру-
гие сканирующие зондовые микроскопы являются основ-
ными аналитическими средствами в нанотехнологии.
Туннельный ток через тонкий вакуумный промежу
ток между двумя металлами. На рис. 8.21 представлена
энергетическая диаграмма двух одинаковых металлов,
разделенных вакуумным промежутком.
Пунктирная кривая вверху — потенциальный барьер
на границе металла 1 с вакуумом, А — работа выхода
электрона из металла. Если два металлических электро-
да разделены промежутком шириной d, то между ними
возникает потенциальный барьер, показанный сплошной
Металл 2
Ряс. 8.21
Энергетическая диаграмма двух одинаковых ме таллсе 1 и 2.
разделенных вакуумным промежутком шириной d. Между металла
ми имеется разность потенциалов U и туннельный mouJT
кривой. При достаточно узком барьере (d - 1-10 нм)алек-
троны могут туннелировать из одного металла в другой
(см. п. 4.7 и формулу 4.14). При напряжении 17 = 0 число
туннельных переходов из первого металла во второй и об-
ратно одинаково, туннельный ток JT = 0. Если приложить
напряжение 17, то энергетические уровни металлов сдви-
гаются относительно друг друга на величину eU и между
металлами возникает туннельный ток JT, обусловленный
туннельными переходами электронов металла 1 на свобод-
ные уровни металла 2. Для качественных оценок можно
использовать упрощенную формулу:
JT=CIUj9exp(-7^9d), <8-2>
где<р — усредненная высота барьера, С| и С2 — константы.
Из формулы (8.2) видно, что туннельный ток экспо
ненциально возрастает с уменьшением ширины туннель
кого промежутка d.
Схема и принцип работы СТМ. Принципиальная схе-
ма СТМ приведена на рис. 8.22а. Металлический зонд 7
может перемещаться относительно поверхности образца 2
в трех направлениях — х, у, г. Перед началом измерений
с помощью трехкоординатного подвижного стола 3 про-
изводится грубое позиционирование образца относительно
244 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ в сллнллыихт»
Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
245
Рве. 8.22
Принципиальная схема
сканирующего туннельного
микроскопа (а); схема деиже
ния зонда при работе СТМ
в режиме постоянного
туннельного тока (б)
зонда. Диапазон перемещений стола по трем направлени-
ям составляет несколько сантиметров, точность позицио-
нирования — 0,1-1 мкм. Посредством перемещений сто-
ла исследуемый участок образца подводится к зонду на
расстояние-0,1 мкм.
Тонкое сканирование и прецизионное вертикальное
перемещение зонда осуществляются с помощью трехкоор-
динатного пьезодвигателя 4 (изображение схематическое).
Пьезодвигатель состоит из трех пьезоэлементов Р„ Р*, Р„
каждый из которых изменяет свою длину пропорциональ-
но приложенному управляющему напряжению U„, U,.
При изменении любого из напряжений U„ Ut, U, зонд сме-
щается в соответствующем направлении.
Движением зонда управляет компьютерная система 5.
На пьезоэлементы Рх и Pv подаются пилообразные напря-
жения U, и Ur задающие сканирование зонда в направле-
ниях х и у. Размер скана может быть до нескольких мик-
рометров, длительность записи одного кадра — от 0,6 се-
кунды до нескольких минут. Зонд движется вдоль строки
(направление х) сначала в прямом, потом в обратном на-
правлении, а затем переходит на следующую строку (в на-
правлении у). Запись информации с зонда производится
на прямом проходе.
В рабочем режиме расстояние между зондом и образ-
цом по оси г контролируется системой обратной связи 6.
На двигатель Р„ подается напряжение обратной связи U,,
и двигатель подводит зонд к поверхности образца на та-
кое расстояние, при котором туннельный ток JT дости-
гает заданной величины. Типичные значения туннель-
ного промежутка d~ 0,5-1 нм, значения JT~ 1-10 нА,
ит~о,1-юв.
Поверхность обладает атомным релье<|юм, на ней име-
ются дефекты и неоднородности. Поэтому при сканирова-
нии расстояние между зондом и поверхностью г меняется,
следовательно, должен меняться и туннельный ток>/г.
Над выступом, где зонд ближе к поверхности, туннель-
ный ток больше, над впадиной он меньше. Так как зави-
симость JT от d является весьма резкой (экспоненциальной,
см. формулу 8.2.), то чувствительность СТМ к изменениям
релье<]>а очень высока.
Наиболее часто СТМ работает в режиме постоянного
тока, когда JT = Jt<, = const. Постоянство Jr поддержива
ется при помощи системы обратной связи, в которой зна-
чение JT сравнивается с заданным JTo. С выхода обратной
связи на пьезодвигатель Рг подается напряжение Ut, под
действием которого двигатель поднимает зонд над высту-
пом или опускает над впадиной до тех пор, пока ток JT не
достигнет значения JTt. Схема движения зонда при ска-
нировании в направлении х показана на рис. 8.226; г —
расстояние между зондом и поверхностью (туннельный
промежуток).
Формирование изображения. Значения г (х, у) для ка-
ждой пары координат (х, у) поступают в компьютерную
систему сбора, визуализации и анализа данных. Совокуп-
ность величин х, у обычно представляет собой квадратную
матрицу, состоящую из 256x256 или 512x512 элементов.
После обработки данных по специальным программам
производится их визуализация средствами компьютерной
графики. Изображения бывают двухмерными (2О-визуа-
лизация)и трехмерными (3D визуализация). При 2D-bh-
зуали.зации каждой точке поверхности, в зависимости от
величины z(x, у), ставится в соответствие определенный
цветовой тон, так что выступы обозначаются более свет
лыми тонами, впадины — более темными, остальные точ-
ки — промежуточными тонами. Это — так называемые
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
246 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Веяние « ^циал^т,.
Часть 3 ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ
247
Рис. S.23
Двухмерное (яркостное) иловра
жение в туннельном микроскопе
поверхности кремния (111)
Рас. 8.24
Двухмерное (а) и трехмерное (б)
изображения в туннельном
микроскопе зпитаксиалькой
пленки PbSe
ное разрешение, позволяющее «видеть» отдельные атомы.
Согласно многим публикациям, изображения с атомным
раз]>ешением получались и в не столь идеальных услови-
ях. Более широкое острие имеет микровыступы, и если
хотя бы один из них ближе к поверхности всего на 0.1 нм,
то весь туннельный ток идет через него, атомное разреше-
ние становится возможным. Следует отметить, что истин-
но атомное разрешение получается при очень низких тем-
пературах и в высоком вакууме. В обычных условиях дос-
тигается разрешение порядка одного нанометра.
Зонды СТМ должны быть проводящими. Как прави-
ло, они металлические, с радиусом острия -10 нм. Выбор
Рж-. 8.2»
Микроскопическое изобра
жение типичноео металле
ческоео зонда ( при двух
разных увеличениях)
яркостные изображения. На рис. 8.23 представлено пер-
вое изображение поверхности кремния с атомным разре-
шением, полученное Биннингом и Рорером с помощью
сконструированного ими СТМ.
При 3D-визуализации изображение поверхности г(х, у)
строится в аксонометрической проекции. В дополнение к
этому моделируются условия подсветки поверхности то-
чечным источником, расположенным в некоторой точке
пространства над поверхностью (рис. 8.24). Следователь-
но, 3D-изображение — это некоторый условный образ,
который, тем не менее, содержит количественную инфор-
мацию о локальных особенностях поверхности.
Характеристики СТМ. Разрешение по нормали к по-
верхности составляет -0,05 нм (при изменении 2 на 0,1 нм
туннельный ток изменяется на порядок). Разрешение в
плоскости определяется качеством острия зонда, а также
зависит от вибраций и акустических шумов. Например,
для острия из монокристалла вольфрама с осью [111] кон-
чик имеет форму пирамиды, завершающейся 1-3 атома-
ми. Если на конце находится 1 атом,СТМ дает чистоатом-
материала зависит от задачи. Наиболее твердые зонды —
из вольфрама и сплава иридия и платины. Для мягких
зондов используют золото. Типичный зонд показан на
рис. 8.25.
Вольфрамовые зонды получают методом электрохими-
ческого травления. Другой способ — перерезывание нож-
ницами проволоки из сплава Ptlr под углом 45° с одно-
временным натяжением на разрыв. При перерезании про-
исходит пластическая деформация проволоки в месте
резки и обрыв под действием растягивающего усилия.
В результате на месте разреза формируется вытянутое ост-
рие, имеющее рваный край с многочисленными выступа-
ми, Один из которых и служит рабочим элементом зонда.
НедостатокСТМ.С помощью СТМ можно исследовать
только электрически проводящие поверхности — металлы,
полупроводники, сверхпроводники. Кроме того, СТМ фак-
тически регистрирует не сами атомы, а распределение плот-
ности электронных состояний на поверхности образца.
Преимущества СТМ. В настоящее время сканирующие
электронные микроскопы (СЭМ) высокого разрешения
3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
249
248 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Веедениг в сп«И1В.1»«<хть
также дают атомное разрешение. Однако в СЭМ энергия
электронов велика (~10*-10& эВ), что создает дефекты на
исследуемой поверхности. В СТМ энергия туннелирующих
электронов не превышает нескольких электрон-вольт, т. е.
меньше энергии химической связи; исследуемая поверх
ность не повреждается. Кроме того, в СТМ нет линз, вно-
сящих искажения в изображение.
Условия работы. Существуют СТМ, работающие в диа-
пазоне температур от 0,2 К до 1000 К, сверхвысоковаку-
умные СТМ и СТМ, работающие на воздухе, в жидких и
газообразных средах. Условия работы СТМ выбираются в
зависимости от поставленной задачи.
8.4.3.
ПРИМЕНЕНИЕ СТМ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Как уже отмечалось, СТМ дает возможность проводить
измерения и одновременную визуализацию проводящей
поверхности с атомным разрешением. Поэтому СТМ ис-
пользуется во многих областях — от фундаментальных ис-
следований в физике, химии и биологии до нанотехноло-
гических применений. Например, СТМ — уникальный ин-
струмент для исследования поверхностных дефектов и
примесей в полупроводниках, диагностики полущюводни-
ковых эпитаксиальных пленок и структур. С помощью СТМ
проводятся исследования магнитных материалов, в том
числе с использованием спин-поляриэованных туннельных
токов, что, например, открывает возможность изучения
распределения поляризации спинов электронов на поверх-
ностях ферромагнетиков и антиферромагнетиков.
Рассмотрим некоторые применения СТМ для исследо-
вания полупроводниковых материалов и структур.
Исследование поверхности полупроводников. В объе-
ме идеального кристалла все валентные связи насыщены.
У атомов поверхностного слоя имеются оборванные (так
называемые ненасыщенные) связи, что увеличивает энер-
гию поверхностного слоя. Для уменьшения этой энергии
поверхностные атомы перестраиваются таким образом,
чтобы число оборванных связей сократилось. В результа-
те на поверхности изменяется структура кристаллической
решетки, происходит так называемая реконструкция по-
верхности. Существует оптимальное расположение атомов
на поверхности, которому соответствует минимум поверх-
ностной энергии.
С помощью СТМ впервые было получено изображение
с атомным разрешением поверхности кремния и исследо-
ваны различные типы ее реконструкции. Установлены ус-
ловия, при которых одни поверхностные структуры (менее
стабильные) превращаются в другие (более стабильные),
например при нагревании или под влиянием примесных
атомов. Реконструкция поверхности была обнаружена на
поверхности германия, арсенида галлия и других полу-
проводниковых кристаллов.
С помощью СТМ можно обнаруживать и исследовать
поверхностные дефекты. На рис. 8.26 приведены для при-
мера СТМ-изображения вакансии атомов фосфора на по-
верхности (100) кристалла фосфида индия п -типа (а) и гра-
ница двойниковой прослойки на поверхности висмута (б).
Диагностика полупроводниковых эпитаксиальных
пленок. С помощью СТМ можно проследить процесс рос-
та тонких слоев от момента образования на подложке кри-
сталлитов-зародышей до образования слоя необходимой
толщины. Это позволяет выяснить особенности роста при
различных технологических условиях, подобрать опти-
мальные режимы получения как тонких пленок, так и
наноразмерных слоистых структур.
Большой практический интерес представляет гетеро-
эпитаксия германия на кремнии. Такие гетеропереходы
дают возможность создавать новые приборы наноэлектро-
ники и оптоэлектроники, используя хорошо развитую
Рж. 8.2в
Вакансии фосфора
на поверхности
(100) п InP (а):
граница Ивойнико
вой прослойки на
поверхности
висмута (В)
б
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N
2Л0 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Ввгдепие в сптцшиькость
Чвспо 3 ОСНОВЫ 11ЛНОЗЛЕКТРОНИКИ
251
Рмг.В.27
СТМ изображение
островков германил
на поверхности
кремния с ориентаци
ей, близкой к (111)
а б
Рис. ЯЗЯ
СТМ изображение
скола по плоскости
(ПО) кристалла
GaAt, легированного
цинком (а); распреде
ление примесных
атомов цинка
(отмечены светлыми
точками) (б)
кремниевую технологию. На на’шльны х стадиях гетероэпи
таксии атомы германия накапливаются в ячейках поверх-
ностной структуры в виде кластеров. При достижении не-
которого критического размера кластеры начинают сливать-
ся в треугольные островки (рис. 8.27). Предпочтительными
центрами встраивания атомов германия на поверхности
кремния являются границы верен и края ступеней. На
рис. 8.27 видны цепочки островков — горизонтальные
вдоль границ зерен, вертикальные у краев ступеней.
Исследование полупроводниковых материалов и струк-
тур. Для технологических и научных целей представляет
интерес информация о том, насколько равномерно распре-
делены атомы легирующей примеси в кристалле в нано-
метровом масштабе. Обычно принимают, что вследствие
кулоновского отталкивания атомы примеси распределяют-
ся приблизительно равномерно. На рис. 8.28 показаноСТМ-
изображение легирующих атомов цинка в кристалле арсе-
нида галлия. Изображение получено на поперечном сколе
кристалла в глубоком вакууме. Можно видеть, что атомы
цинка распределены в GaAs неравномерной группируются
в кластеры размером -10 нм. Это — первое наблюдение кла-
стеризации примесных атомов в напометровом масштабе.
На рис. 8.29 показано поперечное сечение нескольких
л- и p-слоев шириной -30 нм в кристалле GaAs (легирую-
щими янляются атомы кремния, замещающие атомы гал-
лия, а также атомы углерода, замещающие атомы мышья-
ка). Бугорки (кружочки) — атомы легирующей примеси,
темные участки — области, обедненные носителями тока.
• Как видно на рисунке, атом примеси вблизи границы слоя
вызывает искривление границы; обедненная область на
некоторых участках распространяется через весь р-слой.
Описанные эффекты могут в значительной степени огра-
ничивать миниатюризацию полупроводниковых устройств.
На рис. 8.30 дано СТМ-изображение поверхности (се-
чения) гетероструктуры GaAS-AlGaAs. Видны простран-
ственные положения атомов мышьяка. Поверхность слоя
твердого раствора AlGaAs имеет локальные неоднород-
ности рельефа (светлые пятна), что может быть связано с
локальными флуктуациями состава и адсорбцией кисло-
рода. Переход от одного материала к другому (гетерогра-
ница) происходит на расстоянии одного-двух атомных
слоев (стрелки на рис. 8.30).
Рае. 8 29
СТМ изображение поперечно-
го сечения чередующихся п и
p-слоев в арсениде галлия
Рис. 8.34)
СТМ изображение гетеро
структуры СаАл AlGaAi.
выращенной методом
молекулярно лучевой
зпитаксии: граница раздела
отмечено стрелками
Част, 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛВКТГОНИКИ
253
252 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИК£ В»гЛ«м- « смщкмиося»
8.4.4.
НАНОТЕХНОЛОГИИ НА ОСНОВЕ СТМ
Манипуляция атомами и молекулами. Зонд СТМ, на-
ходясь в непосредственной близости от поверхности (0,5-
1 нм), взаимодействует с ее атомами. Это позволяет мани-
пулировать отдельными атомами и молекулами, находя-
щимися на поверхности твердого тела.
Взаимодействие между зондом и образцом или адсор-
батом на его поверхности может осуществляться посред-
ством одного из трех механизмов:
1)за счет дальнодействующих сил Ван-дер-Ваальса
(сил взаимодействия между молекулами) или за счет ко-
роткодействующих сил химической связи на близких рас-
стояниях;
2) за счет сил электрического поля (в туннельном зазо-
ре в области острия создаются поля до 10я В/см, что доста-
точно для вырывания атомов электрическим полем — по-
левое испарение);
3) за счет неупругого туннелирования электронов. При
столкновениях с атомами поверхности или адсорбата тун-
нелирующие электроны вызывают электронное или коле-
бательное возбуждение молекул, что может сопровождать-
ся десорбцией, диссоциацией или изменением конфигу-
рации молекул и даже позволяет производить синтез двух
отдельных молекул в одну.
Горизонтальное перемещение атомов. Используются
силы взаимодействия зонда с атомами поверхности. Схе-
ма перемещения приведена на рис. 8.31а. Зонд помеща-
ется над выбранным атомом адсорбата (положение 2) и
подводится к нему на такое расстояние (2), чтобы сила
притяжения атома к зонду оказалась достаточной для сле-
дования атома за зондом. Далее зонд перемещается до за-
данного положения (3), атом следует за ним. Зонд подни-
мается (положение 4), атом остается на поверхности на
новом месте. Таким способом было написано название
• IBM» атомами ксенона на поверхности пластины кри-
сталла никеля (рис. 8.316). Высота каждой буквы — 5 нм,
скорость движения зонда 0,4 нм/с. Запись производи-
лась при температуре 4 К.
Par. 8.31
Схема перемещения атама
адсорбата по поверхности
подложки (а ); аббревиатура
• IBM-, выполненная методом
перемещения атамов ксенона на
поверхности пластины никеля (б)
Рае. 8.32
Стадии сборки ,атомного
загона, (а); ,загон,
в завершенном виде (б)
Еще один пример атомной сборки — так называемый
«квантовый загон» для электрона. На рис. 8.32а представ-
лены промежуточные стадии сборки. На рис. 8.326изобра-
жен «загон» в законченном виде. Загон образован 48 ато-
мами железа на поверхности пластины кремния. Радиус
кольца из атомов железа — 7,3 нм. Концентрические коль-
ца внутри загона — стоячие волны де Бройля электрона,
захваченного ловушкой (загоном). Светлые кольца соот-
ветствуют максимумам интенсивности волн де Бройля
(максимальной вероятности обнаружения электрона).
Другие манипуляции атомами. Кроме описанного го-
ризонтального перемещения, возможны другие виды ма-
нипуляций отдельными атомами и молекулами: диссоциа-
ция, синтез (образование химических связей между двумя
молекулами), изменение формы больших молекул и т. д.
Описанные операции обеспечиваются неупругими удара-
ми туннелирующих электронов, вызывающими элек-
тронное и колебательное возбуждение молекул. Пока про-
цессы атомных манипуляций далеки от практического
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N
Чаеть 3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОИИКИ
255
254 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ « епен^.иоеяь
применения в массовом производстве. Но они, несомнен
но, могут быть использованы при сборке уникальных на-
ноэлектронных схем.
Нанолитография на основе СТМ. В нанотехнологиях
с применением СТМ производится локальная модифика-
ция поверхности в нанометровом масштабе посредством
локального воздействия зондом на поверхность. В различ-
ных методах используются различные физико-химиче-
ские процессы между зондом и подложкой. Эти процессы
стимулируются:
• локальными электрическими полями с напряженно-
стью Е~ 10м В/см, сосредоточенными в областях -20 нм
на поверхности подложек;
• высокими плотностями токов электронной эмиссии с
острия (~ 10е-10® А/см2);
• локальным разогревом подложки сверхплотным элек-
тронным пучком;
• полевым испарением атомов с зонда или подложки под
действием электрического поля (Е - 10я В/см);
• локальными химическими реакциями в газовых и
жидких средах.
Кроме того, зонд СТМ может быть использован как
микромеханический инструмент для обработки подложек.
Далее рассмотрены несколько примеров СТМ-модифи-
кации поверхности подложек.
Низковольтная электронная литография. Использу-
ются электронные пучки, создаваемые туннельным током
с зонда (ускоряющий потенциал ~ 10-50 В). Энергия
электронов пучка по порядку величины равна энергии
перевода молекул резиста в состояние с измененной рас-
творимостью, поэтому здесь нет вторичных электронов.
Применение низковольтных пучков требует ультратонких
слоев резиста (несколько монослоев). Имеются сообщения
о том. что с помощью СТМ-электроншрафии получены
линии шириной от 25 до 15 нм.
Локальное анодное окисление. В обычных атмосфер-
ных условиях поверхности зонда и образца покрыты сло-
ем адсорбированной воды. Толщина слоя зависит ог отно-
сительной влажности. Например, для SiO2 она лежит в пре-
делах от 2,5 до 4 нм при относительной влажности от 30
до 70% соответственно. Между зондом и подложкой обра-
зуется соединяющий водяной мениск. При наличии тока
между зондом и подложкой возможно проведение реак-
ции анодного окисления участка подложки под зондом,
если в качестве подложки используются анодоокисляемые
материалы. Например, реакция окисления кремния про-
исходит следующим образом:
Si + 4Л* + 2ОН -» SiO-j + 2Н+.
(8.3)
Ионы ОН образуются в мениске в результате гидро-
лиза и двигаются сквозь оксид под действием электриче-
ского поля. На поверхности раздела81/8Ю2 ионы ОН' реа-
гируют с дырками h+. На рис. 8.33 приведен рисунок на
поверхности кремния, полученный локальным анодным
окислением с последующим травлением кремния. Окисел
служил маской для травления. Изображение получено при
помощи атомно-силового микроскопа.
В настоящее время метод локального зондового окисле-
ния используется и как метод нанолитографии (см. п. 8.4.7),
и для изготовления активных элементов наноэлектрон
пых устройств. Однако процесс преимущественно прово-
дится с помощью атомно-силового микроскопа. Подроб-
нее этот метод рассматривается в следующем разделе.
Осаждение из металлоорганических соединений. Ме-
тод состоит в нанесении на подложку металлических ато-
мов посредством разложения газообразных металлосодер-
жащих соединений в зазоре между зондом и подложкой.
Для разложения используется энергия неупругих ударов
Par. 8.33
АСМизображение рисунка,
полученного локальным
окислением поверхности
пластины кремния с последую
шил ее транлением
256 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ * епецилльыкть
Рмс-В.34
Прямолинейные дорожки
из вольфрама на поверхно-
сти монокристалла
кремния, полученные
разложением W(CO)e
под зондом СТМ
РМс В.35
Совокупность точек,
полученных на подложке
кремния палевой змисси
ей с острил золотого
зонда: точки золота
осаждались на подложку
при импульгот напрхже
ним, подаваемого к зонду
туннелирующих электронов. Проводились опыты с осаж-
дением металлов из соединений W(CO)e, WFe и диметил-
трифторацетилацетоиата золота. На рис. 8.34 приведено
изображение прямолинейных дорожек вольфрама, полу-
ченных на поверхности монокристалла кремния описан-
ным методом. Ширина линий 20 нм, длина — 800 нм. Под
зондом происходило разложение газообразного соедине-
ния W(C0)e. Металлический вольфрам осаждался на под-
ложку вдоль направления движения зонда. Таким мето-
дом были получены линии шириной 10 нм и менее.
Массоперенос с острия зонда. Этот процесс возможен
только в условиях высокого вакуума, позволяющего со-
хранить чистоту подложки и острия. При наличии поля
напряженностью Е - 10® В/см вблизи поверхности стано-
вится возможной десорбция атомов или молекул в виде
ионов даже при комнатной температуре. Такие поля соз-
даются у острия зонда при напряжении -10 В. На рис. 8.35
приведены СТМ-изображения совокупности точек, полу-
ченных с помощью полевой эмиссии с острия из золота.
В опытах на зонд подавались импульсы напряжения 10 В
в течение 30 мкс. Диаметры точек ~4 нм, диаметр окруж-
ности из точек — 40 нм. Полученные таким образом линии
из точек можно использовать в качестве межсоединений в
микро- и наноэлектронных схемах, а отдельные точки —
Чагт» 3. ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ 257
в качестве одноэлектронных транзисторов; конфигурация
«Аи-зонд-Ац-кластер БЬподложка» представляет собой
систему с двумя туннельными переходами.
В этом разделе рассмотрено лишь несколько примеров,
иллюстрирующих возможности СТМ. В литературе опи-
сано множество других методов физических исследований
с помощью СТМ и других нанотехнологий на основе СТМ.
Трудно переоценить результаты подобных исследований.
Однако до массового применения СТМ в технологии полу-
проводниковых приборов пока еще далеко. В настоящее
время более широкое применение находит другой зондо-
вый микроскоп — атом но-силовой — прибор более уни-
версальный и с более широкими возможностями.
8.4.5.
СКАНИРУЮЩИЙ
АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОП
Сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ) впер-
вые был сконструирован Г. Биннингом (одним из авторов
СТМ) и его сотрудниками в 1986 г. АСМ, как и СТМ, яв-
ляется сканирующим зондовым микроскопом. Уже при
разработке СТМ стало очевидным, что между зондом, близ-
корасположенным к поверхности, и поверхностью дейст-
вуют относительно большие силы. В АСМ силовое взаи-
модействие зонда с поверхностью используется для полу-
чения сигнала. В принципе, зондовый атомно-силовой
микроскоп может работать на основе любых взаимодейст-
вий — межатомных, электрических, магнитных, тепловых
и др. В настоящее время существует несколько разновид-
ностей АСМ, работающих на основе различных взаимодей-
ствий. В наиболее распространенных АСМ используются
межатомные силы притяжения и отталкивания. Далее рас-
сматривается именно этот вариант АСМ. Для АСМ на меж-
атомных силах проводимость подложки роли не играет, и
можно осуществлять измерения не только на проводящих
материалах, но также на диэлектриках, органических и
биологических материалах. Поэтому АСМ более универ
сален, чем СТМ, и находит более широкое применение как
в различных исследованиях, так и в нанотехнологиях.
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
258 НАНСТЕХНОЛОП1Н В ЭЛЕКТРОНИКЕ • «/чц.имьыи-т»
Рис. 8.36
Схема зондового датчика АСМ и оптической регистрации
изгиба кантилевера (а). Зависимость силы межатомного
взаимодействия от расстояния г между зондом
и поверхностью (б)
Принцип работы АСМ поясняется па рис. 8.36. По-
верхность образца 1 (рис. 8.36а) сканируется зондом 2.
Зонд крепится на очень чувствительной к деформациям
консоли 3, которую называют кантилевером', основание
кантилевера 4 скреплепо с трехкоординатпым пьсэоска
пером, описанным в разделе 8.4.2. Используются три ре-
жима работы кантилевера: контактный, бесконтактный,
полу контактный.
Контактный режим. На рис. 8.366 представлена кри-
вая зависимости межатомной силы от расстояния г меж-
ду острием зонда и поверхностью. При сближении острия
зонда и поверхности между ними возникает притяжение,
сила притяжения возрастаете уменьшением расстояния
(область 2 на рис. 8.360). На некотором расстоянии элек-
тронные облака атомов начинают перекрываться, сила
электростатического отталкивания облаков при сближе-
нии нарастает экспоненциально и ослабляет силу притя-
жения. На расстоянии z0~ 0.2-0,4 нм описанные две силы
уравниваются. Когда суммарная сила становится положи-
тельной, т. е. отталкивающей, это означает, что атомы
вступили в контакт (область 1 на рис. 8.360). При даль-
нейшем сближении сила отталкивания нарастает столь
быстро, что будет уравновешивать практически любую
силу, направленную на сближение. Если прижимать зонд
к образцу упругой силой кантилевера, то он станет изги-
Ч«т»3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 259
баться. 11ри большом усилии будет также деформировать-
ся поверхност ь образца, но расстояние между острием и
поверхност ью не изменится. Такое расстояние можно на-
зывать контактным. Оно примерно равно г0-
При работе в контактном режиме используются силы
отталкивания. В равновесии сила отталкивания компенси-
руется двумя силами, прижимающими зонд к поверхно-
сти. Во-первых, это упругая сила кантилевера. Во-вторых,
в атмосферных условиях между зондом и поверхностью
образуется водяной мениск и появляется капиллярная
сила, которая является силой притяжения.
Суммарная величина этих сил составляет 10 т-10 ® Н.
Как показывает опыт, такая сила вызывает- деформацию,
поддающуюся измерению. Например, для пружины с же-
сткостью 1 Н/м удлинение составило бы 1-100 пм соот-
ветственно.
В контактном режиме обеспечивается постоянство
силы, действующей на зонд. При этом оператором задает-
ся определенная величина прогиба кантилевера (обозна-
чим ее Дг0). Если в процессе сканирования зонд встречает
выступ или впадину на поверхности, прогиб изменяется
на некоторую величину Лг, что регистрируется оптической
системой АСМ. Луч лазера 5 (рис. 8.36а) отражается от
верхней поверхности кантилевера и попадает в фотодетек-
тор 6 (полупроводниковый фотодиод), регистрирующий
фототок при изменении изгиба консоли. Значения фото-
тока поступают в систему обратной связи, которая, изме-
няя напряжение U, на пьезодвигателе, поднимает или
опускает кантилевер с зондом. Таким образом, прогиб кан-
тилевера поддерживается постоянным и равным Дг0. Су-
ществуют и другие способы регистрации отклонения кан-
тилевера.
При сканировании напряжение на г-пьеэодвигателе
(U,) записывается в память компьютера. Визуализация
изображения поверхности производится по тем же прип
ципам, что и для СТМ (см. раздел 8.4.2). Изображение
может быть, как и в случае СТМ, двухмерным (яркост-
ным) или трехмерным. Пример трехмерного изображения
приведен в п. 8.4.6 на рис. 8.39.
Ч«я» 3. ОСНОВЫ НАПООЛЕКТРОНИКИ
261
260 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЙЛЕЮТОНИКЕ. Bordrnuc „ скгциалькост»
Контактный режим применяется для исследования
поверхностей с высокой твердостью и прочностью. Недос
татки режима — большая вероятность повреждения зон-
да и поверхности. Кроме того, этот режим не дает истин-
ного атомного разрешения (за исключением отдельных
случаев). На практике чаще используются два других ре-
жима работы.
Бесконтактный режим. В этом режиме используются
межатомные силы притяжения (область 2 на рис. 8.366),
расстояние от острия до поверхности ~5-10 нм. В области
расстояний, соответствующих бесконтактному режиму,
наклон кривой меньше, чем в области сил отталкивания,
и в этом режиме при изменении расстояния между остри-
ем и образцом кантилевер отклоняется значительно мень-
ше, чем в контактном режиме. Это снижает чувствитель-
ность метода. Поэтому применяется другой, более чувст-
вительный способ детектирования изменения расстояния,
на котором зонд находится от поверхности. Используется
дополнительный пьезоэлемент, который вызывает коле-
бания кантилевера на частоте (обычно 0.2-0.3 МГц), близ-
кой к собственной (резонансной), с амплитудой в несколь-
ко нанометров. Величина резонансной частоты зависит от
наличия внешней силы, поэтому при сканировании про-
исходит изменение резонансной частоты из-за изменения
расстояния г. Система обратной связи поддерживает ре-
зонансную частоту постоянной, опуская или поднимая
кантилевер, когда зонд находится над впадиной или вы-
ступом соответственно, сохраняя таким образом среднее
расстояние между острием и поверхностью. Данные о вер-
тикальных перемещениях сканирующего устройства ис-
пользуются для формирования изображения.
Преимущества бесконтактного режима -- возможность
работы с мягкими и эластичными материалами (напри-
мер, биологическими) и с материалами, свойства кото-
рых могут меняться при касании зонда (например, полу-
проводниковыми кристаллами и структурами). Следует
отметить, что если на поверхности имеется несколько мо-
нослоев воды, то в контактном режиме АСМ даст изобра-
жение поверхности, а в бесконтактном — изображение
слоя воды, так что изображения в двух режимах могут
различаться.
Полуконтактный режим (режим «обстукивания»).
На практике чаще используется этот режим, он аналоги-
чен бесконтактному. Кантилевер колеблется на резонанс-
ной частоте с большой амплитудой (от нескольких десят-
ков до 100 нм) и в амплитуде касается поверхности (об-
стукивает ее). При сближении зонда и образца происходит
изменение резонансной частоты колебаний и увеличива-
ется их демпфирование за счет ударов о поверхность. Это
приводит к уменьшению амплитуды колебаний. Система
обратной связи поддерживает амплитуду колебаний по-
стоянной, поднимая (или опуская) кантилевер. Данные о
вертикальных перемещениях кантилевера используются
для формирования изображения.
В режиме «обстукивания» достигается атомное разре-
шение. Вероятность повреждения образца меньше, чем в
контактном режиме, так как давление зонда на несколь-
ко порядков слабее и зонд не цепляется за неровности по-
верхности. Чтобы зонд мог проходить через слой воды до
поверхности и подниматься обратно, вертикальная сила
должна быть больше капиллярной.
Разрешающая способность АСМ. Поскольку силы
взаимодействия атомов острия и поверхности очень быст-
ро уменьшаются с расстоянием, вертикальное разрешение
ограничено собственными шумами системы детектирова-
ния и тепловыми флуктуациями кантилевера. Верти-
кальное разрешение может быть не хуже 0,1 нм. В гори-
зонтальной плоскости разрешение зависит от радиуса
острия зонда, расстояния между зондом и поверхностью,
сил взаимодействия, упругости образца и других факто-
ров. В настоящее время с помощью АСМ получены изобра-
жения кристаллических поверх ностей с реальным атомным
разрешением.
Зондовые дат чики АСМ. Зондовый датчик АСМ — это
кантилевер с зондом на конце. Такие датчики промыш-
ленно изготовляются методами микролитографии из ма-
териалов, широко используемых в полупроводниковой
технологии (кремний, нитрид кремния).
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N
262
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Bardrxur « скецквзикктк
Часть 3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
Риг.ВЛТ
Микроскопическое
изображение зонда
АСМ на прямоуголь
ком кантилевере
а Обычный аамтилемф
Кытчляянр г. HUKJii^i^
у-*~Чул¥н»«)П->-Г»л
Е=3
Основные параметры, определяю-
щие свойства датчиков, — это радиус
кривизны острия зонда, коэффициент
жесткости и частота собственных ко-
лебаний кантилевера. Радиус кривиз-
ны острия R может иметь значение от
1 до 50 нм (обычно Я - 10 нм). Длина
острия лежит в диапазоне 3-15 мкм. Па
рис. 8.37 приведено электронномикро-
скопическое изображение зонда АСМ
па прямоугольном кантилевере.
Наиболее распространенные формы
кантилеверов — прямоугольная (1-об-
разная) и треугольная (V-образная).
В последнем случае зонд крепится в
вершине кантилевера, а два конца кан-
тилевера укреплены на основании дат-
чика.
Коэффициент упругости (жест
кость) k и собственная (резонансная)
частота изгибпых колебаний оопреде
ляются свойствами материала и раз-
мерами кантилевера. Коэффициент- А
определяет чувствительность канти-
левера. т. е. соотношение между си
лой, действующей на зопд, и откло-
нением кантилевера Аг имеет вид:
[F| — k • Az. Чтобы быть вибростойким,
кантилевер должен иметь высокую
собственную частоту со. Значение со
важно знать при использовании ко-
лебательных режимов работы АСМ.
В таблице 2 приведены характерные
значения размеров и параметров для
Рас. 8 38
Микроскопические изображения зонда АСМ
с карбоновым острием (а) и с налютрубкок
(б): сканирование поверхности обычным
зондом (вверху) и нанотрубкои (внизу) (в)
Тоблшца2
Тип кянтмлрвгра L. мкм А, ммм d, мкм <и, кГц к.Н/м
I-об разный 100 35 2 150 5,5
V-об разный по 40 2 210 17,Г,
двух типов кремниевых кантилеверов (/, h и d — длина,
ширина и толщина балки кантилевера).
Модифицированные зонды. Возможности АСМ как
инструмента исследований и нанотехнологий во многом
определяются его датчиком — зондом. Для специальных
исследовательских и технологических задач разработаны
модифицированные кантилеверы и зонды. Вот несколько
примеров:
1. Ультра-тонкие кантилеверы, способные детектиро-
вать силы ~10"1вН. Размеры кантилевера: (—220 мкм,
h — 6 мкм, d = 60 нм. Такие кантилеверы можно исполь-
зовать для регистрации отдельного спина электрона.
2. Пирамидальные острия с радиусом 10 пм, которые
получаются микролитографией алмазной пленки, выра-
щенной на оксидированной поверхности кремния. Высо-
кая механическая твердость и электропроводность позво-
ляют использовать подобные зонды в различных методах
нанолитографии.
3. Кремниевый кантилевер с диодом Шоттки на ост-
рие. Реагирует на изменение температуры, интенсивно-
сти светового излучения, напряжения вдоль поверхности.
4. Зонд с одноэлектронным транзистором, сформиро-
ванным на острие. Предназначен для измерения потенци-
ального рельефа поверхности.
5. Вольфрамовый зонд с выращенным на конце с помо-
щью специальной методики дополнительным, более топким
(5-20 нм), карбоновым зондом; такой зонд часто называют
сверхострым алмаэоподобным зондом (рис. 8.38п).
6. Зонд для АСМ с углеродной нанотрубкой с закрыты-
ми концами. Углеродные нанотрубки прочнее стали, мо-
гут иметь диаметр около 0,5 нм при длине до нескольких
десятков мкм. Панотрубки можно прикреплять к кремние-
вым зондам по специальным технологиям. Кремниевый
з. основы НАНОЭЛЕКТГОНИКИ
265
264 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ BwtVhuf а смкыммикнь
зонд с нанотрубкой па конце показан на рис. 8.386. При
использовании зонда с нанотрубкой достигается более
высокое разрешение (см. рис. 8.38а).
Результаты применения панотрубок показали улучше-
ние изображений.
Сенсоры различного назначения. Кантилевер может
изгибаться не только под действием механической силы,
нои при других воздействиях, например, при нагревании
или химических реакциях на его поверхности. Это дает
возможность использовать специальным образом сконст-
руированные кантилеверы в качестве сенсоров.
Чтобы сделать кантилевер термически чувствитель-
ным, его покрывают пленкой из материала с большим, чем
у тела кантилевера, коэффициентом теплового расшире-
ния. Такой кантилевер изгибается при изменениях тем-
пературы па величину ~10-4К.
Имеются кантилеверы с прикрепленной химическим
способом биомолекулой на кончике острия зонда. Такой
сенсор позволяет обнаруживать отдельные молекулы в
растворе (захват молекулы из раствора и связывание ее с
молекулой на зонде приводит к изменению резонансной
частоты кантилевера).
Основу химических сенсоров составляют кантилеве-
ры, покрытые с одной стороны материалом, вступающим
в специфические химические реакции или сорбционные
процессы с окружающим газом или жидкостью. Химиче-
ские процессы приводят к изменению поверхностного ме-
ханического напряжения и соответственно к изгибу кан-
тилевера.
Применение АСМ в нанотехнологиях. В настоящее
время АСМ широко используется как многофункциональ-
ный аналитический инструмент для исследования струк-
туры поверхностей, распределения приповерхностных
силовых и температурных полей, распределений величин-
характеристик физических свойств с нанометровым или
даже с атомным разрешением. Кроме исследовательских
и диагностических целей, АСМ применяется в качестве
инструмента для локальпых модификаций поверхностей
и для нанолитографии.
Для исследования и диагностики полупроводниковых
материалов и структур используются как СТМ, так и
АСМ, по каждый прибор имеет свои преимущества. СТМ.
как правило, дает несколько лучшее разрешение, чем
АСМ, хотя атомное разрешение достигается и с помощью
АСМ. Атомно-силовой микроскоп дает изображение ре-
альной поверхности, сканирующий туннельный микро-
скоп — плотности электронных состояний. С помощью
АСМ нельзя получить информацию об электронных свой-
ствах, что имело бы большую ценность в привязке к то-
пологии поверхности. Для СТМ необходимы хорошо про-
водящие подложки; при исследовании высокоомных и
полуизолирующих полупроводников могут возникнуть
трудности — система обратной связи будет двигать зонд
до касания поверхности (чтобы обеспечить необходимую
для работы микроскопа величину туннельного тока). Струк-
туру непроводящих поверхностей можно исследовать толь-
ко с помощью АСМ.
8.4.6.
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ АСМ
ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР
Диагностика приборных структур. С помощью раз-
новидности АСМ — электронно-силового микроскопа
(ЭСМ) — на поперечных сколах слоистых структур опре-
деляется распределение электрического поля и емкости с
привязкой ктоширафическим изображениям. Например,
таким способом определяют положение и протяженность
р-л-перехода в лазерных гетероструктурах, а также рас-
пределение инжектированных носителей в волноводной
области. Для успешной работы лазера р-л-переход дол-
жен находиться в волноводной области.
В электронной промышленности АСМ используется для
контроля качества матриц цифровых видеодисков и выбо-
рочного контроля самих дисков, а также пластин для ИМС.
Диагностика эпитаксиальных пленок. Это одна из
важнейших областей применения АСМ, так как атомно-
силовой микроскоп дает изображение реального микро-
рельефа поверхности. Данные о структуре поверхностей
и опубликовал на сайте :PRESSI(HERSON |
266
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. г сл««иал»осп.
Часть 3- ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
267
Ряс. К.30
Влияние условии эпитаксиального роста на формирование самоорга
низованных массивов квантовых точек германия на поверхности
кремния (100). Изображения получены с помощью АСМ
эпитаксиальных пленок, границ между слоями, типах и
распределениях дефектов, их зависимости от условий рос-
та позволяют исследовать механизмы роста и определять
оптимальные режимы роста.
С помощью АСМ получены важные данные о процес-
сах образования и роста самоорганнзованных квантовых
точек. Метод АСМ позволяет определить размеры и фор-
му квантовых точек, их распределение по размерам и их
количество па единицу площади. Эти данные очепь важ-
ны для исследования механизмов самоорганизации и кон-
тролируемого выращивания квантовых точек для прибор-
ных структур.
На рис. 8.39 приведены АСМ-изображения, иллюстри-
рующие влияние условий роста на формирование самоор-
ганиэовапных массивов квантовых точек германия па по-
верхности кремния (100).
Рас. 8.40
АСМ изображение
нанокристаллов
А1ь^Сас^Ая на подложке
GoAk Размер изображг
пил — /х, мкм*
Рисунки 8.39а, б, в соответ-
ствуют росту слоев германия при
ТОСГС; осаждено 5,6; 9 и 11 моно-
слоев германия соответственно. На
рис. 8.39г, д, е показаны результа-
ты осаждения девяти монослоев
германия при температуре 600» 700,
750°С соответственно. Можно ви-
деть, как меняются плотности и
размеры квантовых точек с уве-
личен ием кол ичества осажденного
германия (рис. 8.39а, б, в) и с рос-
том температуры (рис. 8.39г, д, е).
Такая информация необходима
для создания структур с требуемы-
ми свойствами, например струк-
тур для лазеров и фотопреобразователей (см. раздел 8.2).
На рис. 8.40 приведен еще один пример АСМ-изобра-
жепия нанокристаллов па эпитаксиальной поверхности.
В этом случае на подложке арсенида галлия был эпитакси-
ально выращен буферный слой AlGaAs. Затем па этот слой
осаждался слой InGaAs толщиной 10 нм, который распа-
дался с образовавшем упорядоченного массива панокристал-
лов. После отжига при 800°С вокруг нанокристаллов InGaAs
образовались нанокристаллы AlGaAs за счет массоперепоса
из буферного слоя. Как видно из рисунка, нанокристаллы
имеют четкую огранку и расположены регулярным обра-
зом. В этом случае применение СТМ было бы невозможным
из-за высокого удельного сопротивления AlGaAs.
Рассмотренные примеры иллюстрируют возможности
АСМ как мопщого средства исследования полупроводни-
ковых материалов и наноструктур при нанометровом раз-
решении.
8.4.7.
НАНОЛИТОГРАФИЯ НА ОСНОВЕ АСМ
АСМ, так же как и СТМ, используется не только как
аналитический прибор, но и в качестве инструмента для
локального модифицирования поверхности на нанометро-
вом уровне. Как и в методах на основе СТМ, локальная
268 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Ваедены » слщшлмик»»
Ч«ся» 3 ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ
26!)
модификация поверхности и нанолитография могут про-
изводиться посредством либо механического воздействия
зонда на поверхность, либо полевой эмиссии с зонда или
посредством локальных электрохимических реакций (ло-
кальное анодное окисление). Используются также взаи-
модействие зонда с поверхностью за счет капиллярных
сил, а также комбинированные механическое и химиче-
ское, механическое и тепловое воздействия. Методов нано-
литографии на основе АСМ, как и на основе СТМ, разрабо-
тано достаточно много. Потенциально наиболее важные для
практики — механическая нанолитография поверхности,
локальное анодное окисление, перьевая наполитография
и термомеханический метод, разработанный компанией
IBM для создания терабитных запоминающих устройств.
В последнем методе используется не АСМ, а матрица кан-
тилеверов с зондами.
Механическая наномодификация. Производится непо-
средственным механическим воздействием острия зопда
па поверхность. Однако даже для такого относительно
мягкого полупроводникового материала как, например.
GaAs метод позволяет получать глубины лишь до 2 нм.
На рис. 8.41 приведено АСМ-изображение поверхности
GaAs с линиями, полученными механическим воздействи-
ем с приложением (в течение 100 мс) различных сил давле-
ния на зонд. Сила увеличивалась от левого нижнего угла
Рис. 8.41
АСМ изображение
поверхности
пластины арсенида
галлия с линиями
механической
модификации
( площадь сканиро
вания 3*3 мкм*)
изображения к правому верхнему уг-
лу. После достижения глубины 2 нм
усиление давления не дает увеличения
глубины, но линии становятся шире.
Альтернативным способом может
быть «процарапывание» пленки по-
крытия, например фоторезиста тол-
щиной-10 нм, который далее исполь-
зуется как маска для травления. Уда-
ется добиться деформированных па
всю глубину резиста участков разме-
ром 10-20 нм с шагом -50 нм.
Недостаток кремниевых зондов в
этом методе — коническая или пи-
рамидальная форма получаемого отпечатка. Для оптимиза-
ции размеров и формы отпечатка разработана технология
выращивания сверхтонкого конического уса на острие зон-
да. Длина уса -1 мкм, радиус кривизны его острия -2 5 нм.
Использование таких зондов позволяет получить шаг в
13 нм между формируемыми в фоторезисте элементами.
Локальное анодное окисление. Метод широко приме-
няется в зондовой нанолитографии (см. п. 8.4.4). Предпоч-
тительно используется АСМ с проводящим зондом, так как
АСМ дает большую, чем СТМ, толщину окисла и позволяет
одновременно диагностировать поверхность (окисел явля-
ется диэлектриком). Процесс локального анодного окисле-
ния применялся для модификации поверхности металлов
(Ti, Та, А1), полупроводников
(Si, GaAs) и полупроводнико-
вых гетероструктур, а также
для изготовления активных
элементов наноэлектроники.
Принципиальная схема мето-
да анодного окисления при-
ведена на рис. 8.42.
Обычно процесс проводят
в атмосферных условиях, без
погружения системы «зонд-
подложка» в жидкость. Во
влажной атмосфере па по-
верхностях зонда и подложки имеется несколько моно-
слоев адсорбированной воды, которые при сближении зон-
да и подложки образуют соединяющий мениск 1. Зонд 2
имеет отрицательный потенциал -10 Вотносительно под-
ложки (подложка должна быть из анодоокисляемого ма-
териала). При наличии тока между зондом и подложкой
(например, металл — Me — или полупроводник — Si)
протекают электрохимические реакции анодирования
подложки (см. также формулу 8.3):
Р«г. 8.42
Принципиальная схема
метода локального
анодного окисления
Me + хН/) -» МеО, + 2хП+ + 2хе ,
Si + 4Л‘ + 20Н -» SiO2 + 2Н*.
где е — электроны, М — дырки.
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
270
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Влпккиг е сллииммоти»
На рис. 8.42 позиция 3 — это слой естественного окис-
ла, 4 — анодный окисел, образующийся под зондом. На
начальных стадиях процесса электроны туннелируют с
зонда на подложку через слой естественного окисла, ионы
1Г и ОН" проходят через окисел под действием электри-
ческого поля. Ионы ОН образуются в мениске в резуль-
тате гидролиза воды. В ходе процесса расходуется зна-
чительное количество молекул воды. Доставка воды в
зазор между зондом и подложкой осуществляется под
действием электрического поля (Е - 107 В/см). Поле ока-
зывает ориентирующее действие на полярные молекулы
НгО. что приводит к локальному снижению давления на-
сыщенных иаров Н2О, пересыщению паровой фазы и дос-
тавке воды в мениск.
Процесс окисления идет в глубь подложки. Но иэ-за
присутствия кислорода объем окисленного вещества боль-
ше, чем его исходный объем. Поэтому происходит разбу-
хание окисленных линий и они выступают над поверхно-
стью, создавая рельеф высотой в несколько нанометров.
Это позволяет визуализировать окисление участков с по-
мощью АСМ.
Примеры литографии методом а иодного окисления на
поверхности кремния приведены на рис. 8.43.
На рис. 8.43а представлена надпись, выполненная с
помощью проводящего зонда АСМ; на рис. 8.436 — поверх-
ность после избирательного травления окисла в течение
15 с в водном растворе HF (50:1); на рис. 8.43а приведен
массив точек окисла. Эти точки имеют диаметр 44 нм.
Рис. 8.43
Надпись на пмерхности кремния:
а — посла анодного окисления (выступы): б — после избирательного
травлейия окисла (впадины); а — массив точек окисла.
Честь 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 271
высоту 1,2 нм, расположены на расстоянии 60 нм друг от
друга и получены подачей импульсов напряжения 14 В
при сканировании зонда (на время импульса обратная
с вязь отключалась).
Ширина окисляемых полосок (или диаметр точек) за-
висит от относительной влажности, радиуса острия зон-
да, расстояния между зондом и подложкой, величины и
длительности импульсов напряжения, толщины окисляе-
мой пленки. Могут быть получены линии окисла шири-
ной порядка 10 нм и точки диаметром до 3 нм.
Процесс проводят как в контактном, так и бесконтакт-
ном режимах. Для создания проводящих кантилеверов
применяют проводящие покрытия (Pt, Au, W2C, TiO2 к)
па кремниевых и нитридных кантилеверах.
Как уже отмечалось, метод анодного окисления при-
меняется для получения литографического рисунка не
только на полупроводниках, но и на тонких пленках ме-
таллов. Металлические пленки паноразмерной толщины
можно прокислять насквозь и таким образом создавать
наноэлементы, изолированные друг от друга или от осталь-
ной пленки.
Метод одновременного механического воздействия на
поверхность и локального анодного окисления. По отдель-
ности механическое воздействие и анодное окисление не
позволяют достичь глубины модификации более чем 10 нм.
Разработан метод одновременного механического воздей-
ствия па поверхность и анодного окисления одним и тем
же зондом АСМ. В комбинированном методе достигается
глубина окисления -60 нм при ширине линий -100 нм.
Метод применялся для прокисления гетероструктур типа
GaAs-AlGaAs в оптоэлектронных наноструктурных уст-
ройствах.
Формирование элементов металлической наноэлек
троники с помощью анодного окисления металлических
пленок зондом ACM. 11аряду с развитием элементной базы
наноэлектропики па основе многослойных планарных ре-
зонансно-туннельных структур с квантовыми ямами в по-
следнее время развивается новое направление «провод-
ной» наноэлектроники, в которой основным элементом
Часл» 3. ОСНОВЫ НАН03ЛЕКТР0НИКИ
273
272 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. еслтшимрск»
являются «квантовые провода» из различных материалов,
проявляющие квантовые свойства проводимости при ком'
натных температурах. Простейшее устройство проводной
наноэлектроники состоит из двух макроэлектродов, соеди-
ненных квазиодномерпым проводом, имеющим ширину в
несколько нанометров. Исследования показывают, что
некоторые характеристики (например, ВАХ) одноэлек-
тронных устройств и характеристики планарных резо-
нансно-туннельных диодов можно получить на двухэлек-
тродных элементах с квантовыми проводами.
Перье нал нанолитография (другие названия — метод
погруженного пера, нанописьмо). Это один из новых ме-
тодов нанолитографии, предложен в1999 г. «Пером» слу-
жит зонд АСМ, «бумагой» — подложка, «чернилами» —
жидкие органические вещества или их растворы. Зонд
АСМ рисует «чернилами» на поверхности подложки. Так
как зондом легко манипулировать, то можно наносить
рисунок любой сложности и детализации. Диапазон ши-
рины линий — си-10 нм до 1 мкм. Скорость движения зон-
да при записи — от нескольких нанометров в секунду до
-1О0 нм/с. Поскольку метод медленный, он не может ис-
пользоваться в серийном производстве, но может быть
эффективным для быстрого создания прототипов различ-
ных приборов, когда еще нет соответствующей производ-
ственной технологии, а также в биотехнологии, фарма-
цевтике, для исследования белков и ДНК.
Схема процесса перьевой литографии приведена на
рис. 8.44. На зонд АСМ наносится вещество «чернил» оса-
ждением из пара или погружением в раствор с последую-
щей сушкой. Молекулы вещества показаны волнистыми
линиями на рисунке. Как уже говорилось в предыдущем
разделе, в атмосферных условиях поверхности подложки
и зонда покрыты тонкой пленкой адсорбированной воды,
и, когда зонд приближается к поверхности на нанометро-
вое расстояние, между ними образуется мениск. Форма
мениска зависит от относительной влажности и смачиваю-
щих свойств подложки и зонда. Молекулы осаждаемого
вещества посредством диффузии переносятся через мениск
и осаждаются на подложке, а зонд движется вдоль под-
ложки, создавая рисунок. Возможен пе только диффузий-
пый перепое, по и перетекание жидкости с зонда на обра-
зец под действием капиллярных сил.
Одно из главных требований к молекулам «чернил» —
они должны химически связываться с поверхностью под-
ложки, образуя упорядоченные самоорганиэованные слои
(рис. 8.44), тогда нанесенный рисунок пе будет расплывать-
ся и получится прочным. Например, химическая связь
образуется между атомами серы или селена и золотой под-
ложкой.
В качестве «чернил • для золотых подложек использо-
вались 1-октадеканетиол (ОДТ) и 16-меркаптогексадека-
ноидная кислота (МНА). По описанной методике наносят-
ся также проводящие полимеры, ДНК, органические кра-
сители и другие материалы.
Разрешающая способность метода (минимальная ши-
рина линий) зависит от радиуса кривизны острия зонда,
скорости движения зонда при записи, относительной влаж-
ности. Последняя может влиять на скорость переноса.
Опыты показали, что можно формировать линии шири
ной от 15 нм до нескольких сотен нанометров при мини-
мальном расстоянии между ними -5 нм.
Парис. 8.45 приведены буквы, написанные на поверх-
ности золота чернилами из молекул MILA (относительная
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
274 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ ВмЗгкьг в «ицым.иоеть
Ч«ся. 3. ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ
275
Рис. 8.48
СЗМ — изображение
литографического устройства
с Н кантилеверами
На врезке — увеличенное изо-
бражение зоадп.
Рте. 8.4S
• Перьеаал» запись
молекулами МН А
ха поверхности золота
влажность 23%. скорость зонда — 2 нм/с). Сменяя зонды,
можно последовательно применять различные «чернила».
Рассматриваемый метод используется также для на-
ноструктурирования поверхности кремния. В этом случае
па поверхность кремния напыляется плепка золота, а на
нее наносится «чернилами» рисунок. Затем производит-
ся травление пленки эолотас «чернилами» в качестве мас-
ки. Далее осуществляется травление кремния при исполь-
зовании в качестве маски рисунка из золота.
Параллельный перенос рисунка. Недостатком перье-
вого метода является низкая производительность. Для ее
увеличения предложен способ, основанный на одновре-
менном использовании системы «перьев». На рис. 8.46
приведено электроппомикроскопическое изображение
литографического устройства с 8 кантилеверами, изго-
товленного из единого монокристалла кремния метода-
ми микроэлектронной технологии. Устройство дает ши-
рину линий 60 нм при скорости записи 0,5 мкм/с; расстоя-
ние между кантилеверами составляет 350 мкм.
Термонанолитография. Недостаток описанного мето-
да — невозможность включать и выключать поток «чер-
нил», пока перо находится в контакте с поверхностью.
В термометоде используются «чернила», которые пишут
только при нагреве зонда, когда материал «чернил» пла-
вится. Процессом записи можно управлять, включая и
выключая проводящий зонд.
Наномехани ческое устройство сверхплотной записи
данных «Millipede» ( «Многоножка» ). Механическое уст-
ройство для сверхплотной записи цифровой информации
«Millipede» было представлено IBM в 2005 г. на выставке
Се Bit в Ганновере. Плотность записи — 0,186 Тбит/см2,
размер области записи — 6,3x6,3 мм2. В устройстве для
записи и хранения данных используется иной подход,
чем в магнитных и оптических дисках и в полупровод-
никовых устройствах памяти. Основной инструмент за-
писи/чтения — матрица, содержащая 64*64 кантилеве-
ра с зондами. Запись/чтение производится параллельно
всей матрицей зондов. Таким образом, в устройстве ис-
пользуется главное достоинство зондовых технологий —
предельная локальность, и преодолевается основной недос-
таток зондовых технологий — низкая производительность
процессов, осуществляемых одним зондом. Информация
хранится в виде последовательностей мест с углубления-
ми («1») и мест, где они отсутствуют («0»). Углубления за-
писаны на полимерных пленках нанометровой толщины
(рис. 8.47).
Каждый кантилевер производит операции записи/
чтения только на отведенной для него площади (100х
хЮО) мкм2. Операции записи/чтепия производятся при
механическом сканировании или всей матрицы кантиле-
веров, или среды, где хранятся данные. Контакт «зонд
среда» поддерживается и контролируется сразу для всей
матрицы, а не для отдельных кантилеверов.
Эффективные параллельные операции матрицы кан-
тилеверов достигаются посредством мультиплексорной
адресующей схемы (аналогичной применяемой в памя-
ти DRAM). Способ записи —термомеханический. Через
Рж. 8.47
Пример записи
информации устрой
ством •Millipede»
276
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Нкедекиг с сп«|Ы1<м«хл|»
Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
277
кантилевер создается локальное давление на слой поли-
мера и одновременно производится локальный нагрев по-
лимера посредством протекания тока по П-образному
кантилеверу.
На рис. 8.48 приведена СЭМ-микрофотография чипа с
матрицей кантилеверов (32x32). На изображении чипа
показаны нагревательные элементы с каждой стороны
матрицы и четыре температурных датчика в углах матри-
цы. Они позволяют контролировать разность температур
между матрицей и средой с точностью до 1°. На рис. 8.48
показаны также увеличенное изображение секции матри •
цы кантилеверов, ячейки отдельного П-образного канти-
левера и зонд кантилевера при двух увеличениях. Пере-
кладина в П-образном кантилевере представляет собой
нагревательную платформу, выполненную из высокоом-
ного кремния. Светлой точкой обозначено расположение
зонда. «Ноги» П-образного кантилевера это х и {/ выво-
ды, выполненные из низкоомпого кремния.
Процесс записи информации. На адресуемую строку в
матрице кантилеверов на 20 мкс подается отрицательное
смещение, одновременно на столбцы подаются входные
2 ЗочА
Рас. 8.48
СЭМ микрофотографии чипа г матрицей 32>32 кантилеверов,
секции матрицы и деталей отдельного кантилевера
данные от мультиплексора. Для «1» — положительное
смещение, для «0» — земля. Таким образом, ток идет че-
рез все кантилеверы строки. По фиксируют «1» только
кантилеверы с положительным смещением. Ток, идущий
через заземленные кантилеверы, недостаточен для размяг-
чения резиста, и эти кантилеверы записывают «0». Затем
процесс повторяется для следующей строки и т. д.
Процесс считывания. Для считывания снова исполь-
зуется нагреваемая часть кантилеверов. Считывание ос-
новано на зависимости ее сопротивления от температуры
в диапазоне 20 700°С. При этом сопротивление нагрева-
теля сначала увеличивается, а при дальнейшем нагрева-
нии резко падает вследствие тепловой генерации собствен-
ных носителей заряда. В режиме считывания резистор
работает при температуре ~350сС. Эта температура недос-
таточна для размягчения полимера.
Теплообмен между нагревателем и средой хранения
данных идет через воздух и зависит от расстояния между
ними. Когда зонд идет в углубление, теплообмен через воз-
дух становится более эффективным, в отсутствие углуб-
ления — менее аффективным. В результате, при подаче
импульса тока температура нагревателя будет выше, ко-
гда под ним нет углубления. Так как сопротивление на-
гревателя зависит от его температуры, то максимальное
значение сопротивления во время импульса меньше, ко-
гда зонд идет в углубление. Таким образом, во время про-
цесса считывания сопротивление кантилевера принимает
различные значения в зависимости от того, идет ли зонд в
углубление (бит «1») или над областью без углубления
(бит «0»).
Относительное изменение сопротивления по величине
мало (—10 4). Поэтому цепь детектирования наличия или
отсутствия углубления должна иметь высокое разрешение.
В процессе чтения на адресуемую строку подается от-
рицательное смещение, а на столбцы — земля (через пре-
дохранительный резистор-10 кОм), и кантилеверы под-
держиваются слабо нагретыми. Во время сканирования
измеряются напряжения на резисторах, что позволяет
считывать записываемые данные.
и опубликовал на сайте :PRESSI(HERSON |
Чаеть 3. ОСНОВЫ НАН0X1ЕКТРОНИКИ
279
278 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Пыбгние о слтвоимает»
8.5.
УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ
Уже отмечалось (см. п. 6.9), что углеродные нанотруб
ки рассматриваются как один из наиболее перспективных
материалов для нанотехнологий в различных областях
техники.
Углеродные нанотрубки представляют собой однослой-
ные или многослойные полые наноскопические цилинд-
ры диаметром от 0,5 нм (отсюда их название — нанотруб-
ки). С момента открытия нанотрубок (1991 г.) внимание
исследователей привлекают их необычные свойства —
наномет!>овые размеры, высокая удельная поверхность,
высокая электропроводность (выше, чем у графита), вы-
сокая механическая прочность, химическая стабильность,
способность присоединять к своей поверхности атомы ме-
таллов и радикалы, что дает возможность целенаправлен-
но изменять характеристики нанотрубок.
Сейчас в лабораториях различных стран ведутся сот-
ни разработок по применению нанотрубок в самых раз-
личных областях: электронике, химии, измерительной
технике, производстве материалов, медицине, энергети-
ке и др. Диапазон возможных применений нанотрубок
весьма широк: это химические источники тока и экраны
телевизоров, шестерни в наномеханизмах и сверхчувст-
вительные химические сенсоры, искусственные мускулы
и логические ячейки в процессорах, радиозащитные эк-
раны и наноэлектронныесхемы, «баки» с водородным то-
пливом для двигателей автомобилей и весы (с чувствитель-
ностью КГ’8 г), композитные материалы и ткани, и т. д.
Некоторые применения уже реализованы на практике.
Сюда относятся, например, телевизионные дисплеи на
нанотрубках и разного рода композиционные материалы
с особыми свойствами.
В настоящее время ведется широкий поиск альтерна-
тивных подходов для дальнейшей миниатюризации ИМС.
Углеродные нанотрубки, благодаря своим электронным
свойствам, открывают новое перспективное направление
электроники будущего. Уже продемонстрирована возмож-
ность создания диодов, полевых транзисторов, одноэлек-
тронных транзисторов, логических цепей на основе полу-
проводниковых нанотрубок. Нанотрубки могут проявлять
также металлическую проводимость и исполнять роль под-
водящих проводов. Таким образом, можно создавать эле-
ментную базу электроники целиком на основе нанотрубок
(«углеродная наноэлектроника»). В компании IBM разра-
батывается технология формирования массива транзисто-
ров на основе нанотрубок, а также интептции полупровод
никовых и металлических нанотрубок на одной подложке.
Мировой объем производства нанотрубок с заданными
свойствами исчисляется пока килограммами в год(1 грамм
однослойных нанотрубок стоит сотни долларов). Широ-
кое применение нанотрубок станет возможным только в
результате развития технологий получения нанотрубок в
промышленных масштабах. Ниже рассматриваются свой-
ства нанотрубок, представляющие инте[>ес для электро-
ники, и некоторые устройства на их основе.
8.5.1.
ФОРМА И СТРУКТУ РА НАНОТРУ БОК
Однослойные нанотрубки. Минерал графит имеет
слоистую структуру. Каждый слой построен из гексаго-
нальных ячеек — шестиугольников, в вершинах которых
расположены атомы углерода (рис. 8.49а). Идеальная на-
нотрубка — это свернутая в цилиндр графитовая плос-
кость, причем цилиндр не имеет «швов» (рис. 8.496). Диа-
метры нанотрубок могут изменяться от 0,5 нм примерно
до 100 нм, длина — от нескольких десятков нанометров
до миллиметров.
Рже. 8 4Й
Модель структуры
графита (а); модель
графитовой плоскости,
свернутой в цилиндр в
виде нанотрубки (б);
модель закрытой
нанотрубки,
т. е. с головкой на
конце (в ). Способы
сворачивания графито
вой плоскости на рис. (в)
и (в)различны
280
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ ВесЛ-пес а гашаалааост»
Честь 3 ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ
281
На рис. 8.50а приведено СТМ-изображение нанотруб-
ки с атомным разрешением. Видны гексагональные ячей-
ки атомов углерода и ориентация гексагональной сетки
относительно оси трубки. Меняя эту ориентацию, можно
получить много различных вариантов сворачивания гра-
фитовой плоскости в трубки.
Взаимная ориентация гексагональной сетки и оси на-
нотрубки определяется основной характеристикой нано-
трубки, которая называется хиральностью. Хиральность
задается набором двух целых чисел — тип. Они указы-
вают координаты шестиугольника, который в результа-
те сворачивания графитовой плоскости совпадает с шес-
тиугольником в начале координат. На рис. 8.506 показа-
ны примеры, соответствующие различным числам тип
(т - 6, 12, 18; п = 0, 2, 3, 6, 9). Числа тип определяют
диаметртрубки D:
й~>1т* + П*+тп^-,
п
где — 0,142 нм — сторона шестиугольной графитовой
ячейки.
Особыми свойствами отличаются нанотрубки с хи-
ральностью (10, 10). В них две связи С-Св ячейке парал-
лельны оси трубки (см. рис. 8.496). Как показали экспе-
рименты, такие нанотрубки имеют чисто металлическую
проводимость, повышенную стабильность и при получе-
нии массива нанотрубок количественно преобладают над
трубками с другой хиральностью.
В настоящее время нет способа выращивания нано-
трубок с заданной хиральностью; в одном процессе синте-
за образуются нанотрубки с различными хиральностями.
Диаметр и длину трубок можно варьировать изменением
условий синтеза.
Нанотрубки существуют не только в форме прямых
цилиндров. Разработаны методы получения Т-образных
и У-образных нанотрубок. Электронная микрофотография
У-обраэной нанотрубки приведена на рис. 8.51.
Головки нанотрубок. Нанотрубки после процесса по-
лучения обычно закрыты многослойными полусфери-
ческими головками, каждый слой которых состоит из
5- и 6-угольных ячеек (см. рис. 8.49в). Химическая ак-
тивность головки и стенок различна; головки менее ус-
тойчивы, поэтому специальной химической обработкой
можно удалять головки и получать нанотрубки с откры-
тыми концами.
Многослойные нанотрубки. Одно-
слойные ванотрубки получают спе-
циальными методами синтеза. В ос-
тальных методах большая часть полу-
чаемых трубок — многослойные, они
содержат от двух до десятков слоев.
Модели разновидностей структур
многослойных нанотрубок представ-
лены на рис. 8.52а, б, в. Для всех
Риг. а.51
Электронная
микрофотография
У-образ ной
на но триб к и
и опубликовал на сайте 1 Р R Е S S 1 ( Н Е R S О N |
282 НАНОТЕХНОЛОГИЯ R ЭЛЕКТРОНИКЕ В«гЗгм>г в с>»1«|им>»«ть
Риг. R.52
Модели много
елейных нано
трубок (а. б. в);
сечение много
елейной нано
трубки (г)
структур расстояние между слоями равно 0,34 нм — это
расстояние между слоями в кристаллическом графите
(см. рис. 8.49в). Как правило, меньше дефектов содержат
однослойные нанотрубки.
8.5.2.
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОТРУБОК
Рассмотрим основные методы получения нанотрубок.
Разрядно-дуговой метод. Метод основан на термиче-
ском распылении графитового анода в плазме дугового
разряда, горящего в атмосфере гелия. В дуговом разряде
постоянного тока с графитовыми электродами при напря-
жении 15-30 В, токе 100-300 А и давлении гелия -104 Па
происходит интенсивное термическое распыление анода.
Продукты распыления осаждаются на стенках камеры и
на поверхности катода (до 90% ). В катодном осадке содер-
жатся многообразные наночастицы углерода, в том числе
и нанотрубки. Количество нанотрубок в оптимальных ус-
ловиях составляет -60%.
В катодном осадке содержатся преимущественно мно-
гостенные наиотрубки с различной хиральностью и диа-
метрами в диапазоне от одного до нескольких десятков
нанометров. Распределение нанотрубок по размерам и
хиральностям определяется условиями горения дуги.
Для выделения нанотрубок из катодного осадка ис-
пользуется метод ультразвукового диспергирования. Да-
Чнстч 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 283
лее, для удаления головок и внешних слоев нанотрубок,
производится их окисление на воздухе или в других газо-
образных и жидких окислителях (СО2, HN03).
Термическое распыление в дуге в присутствии ка
тализаторов. Образованию длинных однослойных на-
нотрубок способствуют металлы групп платины и желе-
за. В аноде высверливается продольное отверстие, кото-
рое заполняется смесью порошков металла и графита.
Наибольшая эффективность достигается при использо-
вании смешанных катализаторов из двух металлов груп-
пы железа. В прикатодной области образуется материал,
содержащий преимущественно однослойные нанотрубки
диаметром 0,9-3,1 нм и длиной свыше 5 мкм. В качестве
катализаторов можно использовать и другие металлы,
например иттрий и лантан.
Лазерное распыление. Как и в предыдущем методе,
нанотрубки получаются в результате термического распы-
ления г|>нфита. Графитовый стержень-мишень находится
внутри кварцевой трубки, помещенной в нагревательную
печь. Мишень обдувается потоком аргона (или гелия, во-
дорода, азота) и облучается импульсами мощного лазера
на неодимовом стекле. Сажа, образующаяся в результате
распыления, уносится потоком аргона и осаждается на
охлаждаемый коллектор, а затем диспергируется ультра-
звуком. Добавление в мишень металлических катализа-
торов приводит к такому же аффекту, как и в предыду-
щем случае. Лазерный метод более производителен, чем
дуговой.
Химическое осаждение из пара, или chemical vaper
deposition (CVD-метод). Это один из перспективных мето-
дов промышленного синтеза нанотрубок для устройств
электроники, так как дает возможность получения ан-
самблей однослойных нанотрубок на подложках (в том
числе упорядоченных ансамблей на профилированных
подложках). Метод дешев и легко масштабируется.
В CVD-методе поток углеродосодержащего газа (ме-
тан, ацетилен и т. п.) пропускается над нагретой до оп-
ределенной температуры подложкой, покрытой катали-
затором (полностью или только на заданных участках).
284
НАНОТЕХНОЛОГИЯ Н ЭЛЕКТРОНИКЕ <1 rrr^ajwiorn»
Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
285
Рш . 8 53
Углеродная нано
трубка 2. растущая
т частицы нике-
ля 1 (а); матрица
призматических
«башен* из нанотру
бок. полученная
CVD методом на
подложке пористого
кремния (б)
Углеродосодержащий газ может пропускаться в смеси с
другими газами, например водородом. На подложке или
ее участках происходит каталитическое разложение уг-
леродосодержащею газа с выделением углерода. От час-
тиц катализатора растут однослойные углеродные нано-
трубки. На рис. 8.53а приведена электронная микрофо-
тография однослойной нанотрубки, растущей от частицы
никеля. На рис. 8.536 изображена матрица призматиче-
ских «башен» из нанотрубок. На подложку пористого
кремния через теневые маски с квадратными отверстия-
ми размером (38x38) мкм2 осаждалась пленка катализа-
тора (железо) толщиной -5 нм. От участков, покрытых
катализатором, росли «башни» вертикально ориентиро-
ванных многослойных нанотрубок диаметром 16 нм. Се-
чение «башен» соответствует размеру квадратных участ-
ков катализатора; высота -130 мкм.
Кроме рассмотренных, существуют и другие методы
получения углеродных трубок: электролитический син-
тез, получение нанот;губок в пламени углеродосодержящих
газов (ацетилен, бензол и др.), конденсация углеродного
пара, образующегося в результате резистивною Haipesa
графитовой ленты, на подложку из графита. Единичные
экземпляры нанотрубок обнаруживаются в любой саже,
например в печных дымоходах, на стенках выхлопных
труб автомобилей и т. д.
Характерным свойством нанотрубок является их аг-
регирование с образованием сростков в виде пучков. На-
нотрубки слипаются под действием сил Ван-дер-Ваальса,
стремящихся минимизировать поверхностную энергию.
Отдельные нанотрубки могут выделяться специальными
методами из переплетенных нанотрубок и пучков.
Рис. 8.54
Образец осадка, содержащего жгуты нанотрубок (а);
сегмент отдельного жгута (б)
На рис. 8.54а показаны жгуты из однослойных нано-
трубок; на рис. 8.546 приведен сегмент жгута из нанотру-
бок. Образец, содержащий панотрубки, получен методом
лазерного распыления.
8.5.3.
СВОЙСТВА НАНОТРУБОК
Электронные свойства. Ианотрубки обладают рядом
важных для электроники свойств. Они могут быть полу-
п|юводниками и иметь металлическую проводимость. Ве-
личину и тип проводимости полупроводниковых трубок
можно изменять при помощи внешних воздействий. Элек-
тронные свойства нанотрубок, а также их наноразмеры,
достаточно высокая элект|>опроводностъ и хорошая теп-
лопроводность дают основание рассматривать нанотруб-
ки как перспективный материал для активных элементов
и межсоединений в наноэлектронике.
Электронные свойства нанотрубок определяются их
структурой (основная структурная характеристика — хи-
ральность, см. п. 8.5.1). Теоретически обосновано и экс-
периментально подтверждено, что при п - т = 3i (где
1 = 0, 1,2, 3...) нанотрубка имеет металлическую прово-
димость, при п - т / 31 нанотрубка является полупровод-
ником. Ширина запрещенной эоны имеет порядок не-
скольких десятых эВ и уменьшается обратно пропорцио-
нально диаметру нанотрубки D. Например, ДЕГ — 0,6 эВ
при D = 1,4 нм.
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
286 НАНОТЕХНОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОНИКЕ ВвеОенче в ГЛЛ|Ы1Л*ЯОГИ».
P«r 8.55
Схема изогнутой нанотрубки
(а); АСМ изображение изогну
той нанотрубки на кварцевой
подложке (6); оолит амперная
характеристика перехода,
возникшего на изгибе нанотруб
ки (в): на врезке приведена ВАХ
(вольт амперная характера
стика) верхней прямолинейной
части нанотрубки
Зависимость электронных свойств от структуры позво-
ляет формировать на индивидуальной нанотрубке р-п и
гетеропереходы, т. е. создавать активные элементы ИМС.
Например, если в атомную сетку нанотрубки, состоящую
из 6-угольных ячеек, внедрить дефекты в виде 5- и 7-уголь-
ных ячеек, расположенных на противоположных концах
диаметра, то нанотрубка изогнется (рис. 8.55а). АСМ-изо-
бражение изогнутой нанотрубки, расположенной на квар-
цевой подложке и имеющей контакт с золотыми электро-
дами, приведено на рис. 8.556. Вольт-амперная характе-
ристика изогнутой нанотрубки нелинейна (рис. 8.55в).
Верхняя прямолинейная часть нанотрубки (до изгиба)
имеет металлическую проводимость; ее вольт-амперная
характеристика линейна (см. врезку на рис. 8.55в). Про-
водимость нижней и верхней частей изогнутой нанотруб-
ки становится различной вследствие различия ориента-
ций сеток ячеек относительно оси трубки. Так можно по-
лучить трубки с полупроводниковой и металлической
частями. Подобная ванотрубка работает, как выпрямля от-
сесть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТГОНИКИ 287
щий диод (диод Шоттки). Панотрубки У образной формы
(см. рис. 8.51) также пропускают ток только в одном на-
правлении, что обусловлено дефектностью структуры в
месте соединения зубцов. Гетеропереходы полупровод-
ник-полупроводник можно получить соединением нанот-
рубок [>азного диаметра (о других способах формирования
гетеропереходов см. ниже).
Эксперименты показали, что у нанотрубок есть еще
одно полезное для применения в электронике свойство.
В структуре полевого транзистора (исток-затвор-сток) с
полупроводниковой нанотрубкой в роли канала можно
уменьшать проводимость нанотрубки с помощью электри-
ческого поля затвора на 6 порядков, то есть фактически
превращать нанотрубку в диэлектрик. В этой же структу-
ре можно переводить проводимость нанотрубки из р-типа
в n-тип посредством отжига. Так создаются р и п-полевые
транзисторы, а следовательно, и комплементарные МОП
структуры (КМОП), являющиеся основой логических эле-
ментов интегральных микросхем.
При синтезе обычно получаются пучки нанотрубок с
различным типом проводимости (примерно 1/3 металли-
ческих и 2/3 полупроводниковых). Для разделения сме-
шанные пучки нанотрубок осаждают на кремниевую пла-
стину, покрытую слоем SiOz толщиной 200 нм. Затем на
эти пучки литографическим способом наносятся золотые
полоски — электроды. Пластина кремния играет роль за-
твора. На затвор подается напряжение (-10 В), и электри-
ческое поле затвора переводит полупроводниковые нано-
трубки в непроводящее состояние. Электрическими им-
пульсами, подаваемыми на электроды, металлические
нанотрубки разрушаются, на подложке остаются одни по-
лупроводниковые. Существуют и другие способы разде-
ления металлических и полупроводниковых нанотрубок.
Электропроводность. Проводимост ь нанотрубки име-
ет квантовый характер, причем движение электронов в
нанотрубке может происходить как вдоль оси, так и по
периметру нанотрубки. Однако движение по периметру
(окружности) возможно при условии, что на длине окруж-
ности укладывается целое число длин волн де Бройля. Эго
Ч.ст. 3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
289
288 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. ВогЛ-ииг в г<м-чиал*илгт»
ограничивает число состояний электрона, в которых он
может двигаться по периметру. Направлением свободно-
го движения электрона — носителя тока является направ
ление вдоль оси трубки:
Нанотрубку можно рассматривать как квантовый про-
вод (нить). Как известно, если квантовый провод является
одновременно и баллистическим, то его электропровод-
ность квантуется (см. гл. 7, п. 7.3.7). Квантование прово-
димости удается наблюдать при сверхнизких температурах
в одномерных дорожках, выделяемых из двухмерного газа.
При комнатных температурах квантование проводимости
наблюдается в металлических проволоках длиной в не-
сколько нанометров и шириной, соствляющей доли нано-
метров. Квантование сопротивления нанотрубок при ком-
натной температуре экспериментально было обнаружено
при измерении сопротивления многослойных нанотрубок
диаметром 5-25 нм и длиной 1-10 мкм. В этих экспери-
ментах многослойные нанотрубки укреплялись на зон-
де СТМ, а вторым электродом служили ртуть или другой
жидкий легкоплавкий металл (Ga, сплав Pb-Bi) в резер-
вуа|>е под зондом. Обнаружено, что проводимость трубок
изменяется скачками, равными кванту проводимости
~=(12,9кОм)
А
Скачки происходили по мере погружения нанотрубки в
жидкий металл, что было связано со вступлением в кон-
такт с жидким металлом очередной внутренней трубки в
многослойной нанотрубке. Следовательно, сопротивление
одной нанотрубки равно кванту сопротивления.
В этих же экспериментах был получен еще один важ
ный результат. Нанотрубки не повреждались при подаче
напряжений до 6 В. Таким напряжениям соответствова-
ли плотности токов -107 А/см2, а рассеиваемая мощность
-3 мВт. Если бы такая тепловая мощность распределялась
однородно по длине трубки, то температура в середине
трубки имела бы значение -2 • 10* К, и она бы испарилась.
Это означает, что тепло выделялось вне трубки, в элек-
тродах. Следовательно, режим движения электронов в
нанотрубке является баллистическим. Установлено, что
нанотрубки могут выдерживать токи до 10я А/см2. Одна
из причин высокой проводимости нанотрубки — малое
количество дефектов кристаллической структуры, вызы-
вающих рассеяние электронов. Пропусканию токов плот-
ностью до 10я А/см2 способствует и высокая теплопро-
водность нанотрубки (медный провод плавится при плот-
ности тока ~10®A/cm2). Таким образом, металлические
нанотрубки можно рассматривать как перспективный ма-
териал для межсоединений.
При температурах -1 К обнаружены области кулонов-
ской блокады (см. п. 7.6.2) на вольт-амперных характе-
ристиках для нанотрубок и пики проводимости при опре-
деленных напряжениях на затворе. Эти данные показы-
вают, что проводимость осуществляется через дискретные,
хорошо разделенные электронные состояния.
Тщательные измерения показали, что величина элек-
тропроводности одиночных нанотрубок зависит от струк-
туры и условий их получения, от структурных дефектов в
нанотрубках, от примесей, адсорбированных на их поверх-
ности, от качества контактов и способа их нанесения.
Эмиссионные свойства. Современная технология ши-
роко использует электронные токи в вакууме: в диспле-
ях, вакуумной электронике, электронной микроскопии,
при 1'енсрации рентгеновского излучения и т. д. В настоя-
щее время наиболее распространенный способ получения
электронных пучков — термоэлектронная эмиссия. Обыч-
но источники электронов — вольфрамовые нити (или по-
ристые матрицы, пропитанные материалом, понижающим
работу выхода электронов), нагреваемые до температур
порядка 1000°С. Недостатки термокатодов — большие те-
пловые потери, инерционность, изменение размеров при
нагревании, относительно небольшой срок службы, газо-
выделен ие при наг|>еве, ухудшающее вакуум.
Альтернативный способ получения электронных пуч-
ков— полевая (или автоэлектронная) эмиссия. Полевая
эмиссия — это испускание электронов с поверхности боль
шой кривиэны (острил) под действием электрического
поля. Напряженность электрического поля Е' вблизи ост-
рия во много раз превосходит среднее по межэлектронному
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
290 НАНОТЕХНОЛОГИИ В ЭЛЕКТРОНИКЕ В&дгки' • гмадолкиост* Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 291
промежутку значение £'. Величина у — Е'/Е называется ко
эффициентом полевого усиления. 11олевая эмиссия — кван-
товый эффект; электроны покидают твердое тело посред-
ством туннелирования через потенциальный барьер на гра-
нице с вакуумом. Ток эмиссии экспоненциально растете
уменьшением работы выхода электрона из эмиттера и с
увеличением напряженности электрического поля £* в
точке, из которой идет эмиссия. Величина Е' пропорцио-
нальна приложенному напряжению U и коэффициенту
полевого усиления у, который зависит от радиуса острия
эмиттера г (у - 1/5г).
В настоящее время широко используются эмиссионные
свойства различных материалов для применения в таких
устройствах, как плоские панельные дисплеи, электрон-
ные пушки в микроскопах, микроволновые усилители.
Для технологических приложений материалы полевых
эмиттеров должны иметь н изкое пороговое поле и стабиль-
ность относительно высоких плотностей эмиссионного
тока. При изготовлении стандартных полевых эмиттеров
используют острия из кремния и алмаза. Дороговизна та-
ких эмиттеров компенсируется их преимуществами: малые
размеры, высокая плотность эмиссионного тока, отсутст-
вие наг|>евателей, небольшие затраты энергии при работе.
Исследования эмиссионных свойств нанотрубок пока-
зали, что они представляют собой перспективный мате-
риал для полевых эмиттеров. Нанотрубки имеют высокую
тепло- и электропроводность, химически стабильны. Бла-
годаря малым поперечным размерам коэффициент поле-
вого усиления нанотрубок на 2-2,5 порядка выше, чем у
обычных эмиттеров. Эмиттеры из нанотрубок имеют зна-
чительно больший срок службы и существенно меньшее
значение порогового поля, чем эмиттеры из других мате-
риалов.
Эмиттировать электроны способны открытые и закры-
тые, мно1'ослойные и однослойные нанотрубки, их верти-
кально упорядоченные ансамбли и специальные конструк-
ции из нанотрубок (см. рис. 8.536), а также сростки и плев-
ки из нанотрубок со случайной их укладкой. Эмиссионные
характеристики нанотрубок значительно различаются в
зависимости от условий их синтеза и процесса изготовле-
ния катодов. Одиночные нанотрубки-эмиттеры подходят
для электронных микроскопов высокого разрешения и для
паполитографии. В остальных приложениях используют
ся пленки из нанотрубок. Они дают достаточные по вели-
чине эмиссионные токи, просты в изготовлении, легко
масштабируются. Разработано два способа изготовления
эмиттеров — пленок из нанотрубок: 1) нанесение или ук-
ладка на подложку предварительно полученных нанотру-
бок; 2) выращивание нанотрубок непосредственно на под-
ложке методом CVD (см. п. 8.5.2). Первыйспособпредпоч-
тителен, когда используются однослойные нанотрубки,
так как их наращивание методом CVD требует высоких
температур, что ограничивает выбор подложек. Наилуч-
шей воспроизводимостью свойств и наибольшим време-
нем жизни обладают эмиттеры из закрытых и многослой-
ных, правильно уложенных нанотрубок. Подобные ан-
самбли нанотрубок получают методом CVD на катодных
подложках с предварительно нанесенным рисунком ката-
лизатора (см. рис. 8.536). Этот способ дает возможность
регулировать в широких пределах 1»язмер и плотность рас-
положения ван отрубок.
Химическая модификация нанотрубок. Химическая
модификация расширяет возможности применения нано-
трубок. Один из способов модификации — так называе-
мая «прививка» функциональных групп. Например, окис-
ленная поверхность нанотрубки покрывается в растворах
группами (—СООН), (-СО), (-ОН). При обработке в кисло-
тах «прививаются» кислотные группы (например,-HSO<).
На «функционализированные» нанотрубки можносорби-
ровать ионы или паночастицы металлов, а также слож-
ные молекулы, включая ДНК. Посредством функциона-
лизации можно добиться растворимости нанотрубок в ряде
органических растворителей (бензол, толуол и др.).
Метод «прививки» используется для расширения воз-
можностей АСМ. В настоящее время разработаны техноло-
гии присоединения нанотрубок к зондам АСМ (см. п. 8.4.5,
рис. 8.38). Функциональные группы прививают к кончи-
кам нанотрубок, что дает возможность испол ьзовать АСМ
292 НАНОТЕХНОЛОГИЯ Н ЭЛЕКТРОНИКЕ Barerxlu-ornrwuaMHwmi.
как химически чувствительный анализатор вещества на
атомном уровне. Были созданы зонды с кислотными, ос-
новными и гидрофобными свойствами, а также с биологи-
чески активными группами.
Особую роль в модификации нанотрубок И1-рает фтори
рование. Атомы фтора можно «прививать» к боковым стен-
кам нанотрубок. Фторирование внешних боковых поверх-
ностей нанотрубок влияет на их электронные свойства и
может менять проводимость нанотрубок от полупроводни-
ковой до металлической и наоборот, вплоть до состояния
диэлектрика. Эго свойство дает принципиальную возмож-
ность получать 1ч?теропереходы на одной нанотрубке пос{>ед-
ством модифицирования отдельных ее участков.
Внедрением примесей между слоями многослойных
нанотрубок (интерполированием) им можно сообщать
р или л тип проводимости. Интеркалирование атомов-до-
норов (К, Rb, Cs) сообщает л тип полупроводниковым на-
нотрубкам. Установлена корреляция плотности носителей
заряда с концентрацией атомов интеркалированного калия.
При интеркалировании акцепторов (Br2, Jz) также имеет
место перенос заряда, и трубки приобретают р тип прово-
димости. Проводимость л типа можно создавать напыле-
нием щелочных металлов на поверхность нанотрубки.
Заполнение нанотрубок. Заполнение нанотрубок раз-
личными веществами представляет большой интерес для
практических применений. Нанотрубка, заполненная ато-
мами металла или полупроводника, может быть миниа-
тюрным элементом схемы. Углеродную оболочку можно
удалить окислением, и тогда получится нанопроволока.
Возможность заполнения нанотрубок газом открывает
перспективу создания эффективных устройств для сорб-
ции и хранения газообразных веществ.
Жидкости втягиваются в полость нанотрубки за счет ка-
пиллярного эффекта, если их поверхностное натяжение не
превышает некоторого критическогозначения, зависящего
от диамет]>а трубки. Жидкости, поверхностное натяжение
которых превышает ~0,2 Н/м, не способны капиллярно втя-
гиваться внутрь нанотрубки. На воздухе в нанотрубки мо-
гут втягиваться расплавленные свинец и висмут. При этом
Чаеп» 3. ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ 293
диаметр образующегося свинцового провода может состав-
лять 1,5 нм. Для втягивания других металлов применяются
специальные приемы: приложение внешнего давления; ис-
пользование азотной кислоты в качестве растворителя ме-
талла с последующим восстановлением металла (так были
получены нанотрубки, содержащие никель, кобальт, желе-
зо); втягивание расплавленных окислов и солей (галогени-
дов и нитратов) с последующим восстановлением металла
(так были получены проволоки сер«брн дкнмет;юм 4 нм и
длиной 47 нм); заполнение на иотрубки металлами в процес-
се каталитического синтеза (та к были получены нанопрово-
локи из хрома, никеля, гадолиния и других металлов).
С помощью метода заполнения нанотрубок можнофор-
мировать переходы металл-полупроводник и металл-ме-
талл на индивидуальных нанотрубках.
Как известно, ключевая проблема на пути развития
экологически безопасного автомобильного транспорта на
водородном топливе состоит в создании легких и надеж-
ных систем для хранения водорода. В принципе, в качест-
ве перезаряжаемого «водородного бака» можно было бы
использовать массивы нанотрубок. В последнее время ве-
дутся разработки по заполнению нанотрубок водородом.
Нанотрубка — хороший сорбент канцерогенных диок-
синов в промышленных газах-отходах. В этом отношении
нанотрубки превосходят активированный уголь и порис-
тый графит.
Большой теоретический и практический интерес пред-
ставляют структуры, называемые •наностручками». Эти
структуры представляют собой нанотрубки, внутри ко-
торых находятся чужеродные молекулы, например фул-
лерены Сад. В большинстве случаев диаметр нанотрубок
(1,4 нм) вдвое превышает диаметр молекулы фуллерена
(0,7 нм). Фуллерены внутри трубок способны перемещать-
ся, образовывать пары и цепи. Наличие фуллеренов внут-
ри нанотрубки влияет на се электронные свойства; в буду-
щем стручковые структуры могут стать основой сверхми-
ниатюрных устройств.
Фуллерены и другие формы углерода образуются на-
ряду с нанотрубками в процессах синтеза. Обычно они
и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
Часжь 3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
295
294 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ « гицшлимл.
удаляются специальной обработкой. Однако в некоторых
случаях фуллерены оказываются в полости нанотрубок,
проникая через дефекты в стенках или через открытый
конец. Разработаны условия процесса синтеза нанотрубок
с повышенным выходом «стручковых« структур. Удается
синтезировать нанотрубки с молекулами металлофулле-
ренов внутри, т. е. молекулами фуллеренов, в центре ко-
торых находится ион металла.
Механические свойства. Углеродные трубки отлича-
ются высокой механической прочностью. Так, предел проч
ности на разрыв у однослойной нанотрубки составляет
45 ГПа, у стальных сплавов — 2 ГПа. Податливость мате-
риала на продольную деформацию характеризуется моду-
лем Юнга (Е). У стали Е ~ 0,21 ТПа, у нанотрубки — в пре-
делах 1,3-1,8ТПа, т. е. почти на порядок больше, чем у
стали. Углеродные нанотрубки могут служить идеальны-
ми упрочняющими наполнителями в композитах с мат-
рицей любого состава. Особый интерес представляют вы-
сокопрочные композиты нанотрубок с полимерами. Они
найдут применение в авиа- и автомобилестроении.
Углеродные нанотрубки не только прочны, но и упру-
ги при изгибе. Нанотрубку можно свернуть в кольцо, и
она |>асп(>ямится без повреждений. Большинство материа-
лов ломаются при изгибе из-за наличия таких дефектов,
как дислокации и границы зерен. Стенки нанотрубки име-
ют мало структурных дефектов и, кроме того, углеродные
ячейки в виде правильных шестиугольников при изгибе
меняют свою структуру, но не рвутся.
R.5.4.
НЕУГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ
В последнее время разработаны технологии получения
углеродных нанотрубок с частично замещенными атомами
углерода, а также нанотрубки из других веществ. Спектр
свойств неуглеродных нанотрубок достаточно широк, что
повышает возможности их применения. Например, бор-
азотные нанотрубки — широкозонный полупроводнико-
вый материал, электронные свойства которого, в отличие
от углеродных нанотрубок, не зависят от 1'еометрии. Час-
тичное заполнение трубки металлом дает гетеропереход
«широкозонный полупроводник-металл», на основе ко-
торого можно получать диоды, способные функциониро-
вать при высоких температурах. Бор-азотные нанотрубки
перспективны для создания низковольтных полевых эмит-
теров. Углеродные нанотрубки с частичным замещением
атомов углерода на атомы азота могут быть металлически-
ми или полупроводниковыми с узкой энергетической зо-
ной, в зависимости от расположения атомов азота и угле-
рода. Синтезированы дисульфидные нанотрубки MoS-, и
WS2 диаметром ~50 нм и длиной в несколько сотен нано-
метров. В таких нанотрубках обнаружена высокая адсорб-
ция водорода. Нанотрубки MoSz могут найти применение в
электрохимическом катализе и в производстве аккумуля-
торов. Ведутся работы по синтезу нанотрубок карбида крем-
ния, возможности применения которых очень широки, бла-
годаря их твердости и высокой температуре плавления.
R.5.5.
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТРУБОК
В ЭЛЕКТРОНИКЕ
Благодаря уникальным свойствам углеродных нано-
трубок существует принципиальная возможность создания
элементной базы электроники, целиком основанной на при-
менении нанотрубок. Как уже отмечалось, интерес к угле-
родной наноэлектронике, многочисленные исследования и
разработки в этой области связаны с приближающимся
пределом миниатюризации ИМС на основе кремния. Элек-
тронные схемы на нанотрубках — это дальнейший этап
миниатюризации, основанной на принципе • снизу вверх ».
Свойства нанотрубок, необходимые для применений в
электронике, были рассмотрены в предыдущих разделах.
В зависимости от структуры, существуют как полупровод
никовые, так и металлические нанотрубки. В полупровод-
никовых нанотрубках можно изменять тип проводимости
с помощью легирования. При помощи тока в канале прово-
димости вдоль нанотрубки можно управлять попе|>ечным
электрическим полем, т. е. на индивидуальных нанотруб-
ках можно создавать аналоги п и р палевых транзисторов.
Часнь 3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
297
2!И> НАНОТЕХНОЛОГИЯ в ЭЛЕКТРОНИКЕ. Вмдеяи> » глгцча^ьмк-яи.
которые служат основой современных микроэлектронных
схем. На индивидуальных нанотрубках можно форм и ро-
ватьр-n-переходы. Есть способы создания гетероперехо-
дов полупроводник полупроводник (соединение нанотру-
бок различного диаметра), а также металл-полупровод
ник (изгибание нанотрубки, частичное заполнение трубки
металлом или химическая модификация ее фрагментов).
Выпрямляющими свойствами (односторонней проводимо-
стью) обладают трубки Т- и У-образной формы. Металли-
ческие нанотрубки имеют высокую электропроводность,
пропускают токи без существенного нагрева, могут выпол-
нять роль межсоединений.
Безусловно, переход к электронике на нанотрубках не
может быть быстрым; она делает первые шаги, и многие
проблемы еще не решены. Предполагается, что сначала бу-
дут создаваться гибридные схемы и прибо|>ы, действующие
наряду с традиционными. В настоящее время разработан
метод разделения полупроводниковых и металлических
нанотрубок (см. п. 8.5.3), найдены методы получения элек-
трических контактов к нанотрубкам; исследованы сопро-
тивления контактов нанотрубок с различными металлами.
Разработаны методы получения нанотрубок Т- и У-образ-
ной формы, «стручковых структур», методы заполнения
нанотрубок атомами металлов. Необходимым условием
использования нанотрубок в схемах является возможность
монтировать нанотрубки в заданные архитектуры, поме-
щая их в требуемые положения с необходимой ориента-
цией. С этой целью отработаны методы ориентированно-
го осаждения нанотрубок из газовой фазы (метод CVD,
см. п. 8.5.2) как в плоскости подложки, так и перпенди-
кулярно к ней. Примеры контролируемого роста нанотру-
бок на подложках кремния показаны на рис. 8.56а,б.
Еще одно достоинство углеродной электроники — ра-
диационная стойкость.
Рассмотрим примеры некоторых устройств на углерод-
ных нанотрубках.
Полевой транзистор на полупроводниковой нано
трубке. Схема транзистора на индивидуальной нанотруб-
ке показана на рис. 8.57. На этом рисунке: 1 и 2 — титано-
Рае. В.56
Распределение нанотрубок на подложке кремния. покрытой
островками SiO, (а); нанотрубки между полосками кремния,
покрытыми катализатором. полученные в присутствии поля,
перпендикулярного полоскам (б)
вые исток и сток, 3 — однослойная нанотрубка (канал), 4 —
затвор из алюминия или титана. При кратковременном от-
жиге (Т — 8504') между нанотрубкой и титановыми контак-
тами образуется пленка соединения TiC, улучшающая кон-
тактное сопротивление. Толщина подзатворного слоя
SiO2 - 15 нм, что позволяет ис-
пользовать напряжение на за-
творе -1 В, т. е. того же уровня,
что и в современных полевых
транзисторах на кремнии. Зна-
чительное улучшение харак-
теристик дает использование
в качестве подзатворного ди-
электрика ZrO2 (диэлектриче-
Рие. ВЛ7
Схема поперечного
сечения транзистора
на нанотрубке
ская проницаемость с ~ 25). Подача напряжения на затвор
изменяет проводимость нанотрубки в 10°-10е раз, поэто-
му данный транзистор может работать как переключатель.
Крутизна вольт-амперной характеристики транзисто-
ра — показатель быстроты реакции тока в канале на из-
менение поля затвора. Эта величина для транзисторов на
нанотрубках в несколько раз больше, чем для кремние-
вых. Быстродействие прибора зависит также от его про
водимости; проводимость транзисторов па углеродных
нанотрубках более чем вдвое превосходит проводимость
к|>емниевых транзисторов того же размера.
Одноэлектронный транзистор. Пример одноэлек-
тронного транзистора на индивидуальной однослойной
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
29Н
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. « <муешмгт
Частз S. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
299
Рас. 8.58
АСМ изображение стадий
формирования однозлек
тронного транзистора
на нанотрубке (а, в. в);
увеличенное изображение
области острова (г)
нанотрубке с металлической проводимостью показан на
рис. 8.58. Прибор работает при комнатной температуре.
С помощью зонда АСМ на нанотрубке создавались два
изгиба (рис. 8.58г), они действовали как туннельные барь
еры. Отрезок трубки длиной 25 нм между двумя изгибами
играет роль острова, концы нанотрубки — исток и сток.
Нанотрубка располагалась на подложке кремния, покры-
той окислом; подложка служила затвором. На вольт-ам-
перной характеристике наблюдалась область кулоновской
блокады шириной 0,2 В и осцилляции кулоновской бло-
кады при изменении напряжения на затворе (см. п. 7.6.3).
Логические элементы. Логические элементы пока на-
ходятся в стадии разработки. Как известно, основной эле-
мент логических схем — комплементарные МОП-транзи-
сторы (КМОП), в которых со-
единяются МОП-траизисто-
ры с п мр каналами.
На рис. 8.59 показана схе-
ма комплементарного транзи-
стора, выполненного на од-
ной нанотрубке. На кремние-
вую подложку, покрытую
слоем SiO2 (толщиной поряд-
ка нескольких нанометров),
нанесены три золотых элек-
трода /, 2, 3. На электродах
Рх 8.59
Схема комплементарного
транзистора на нанотрубке
расположена нанотрубка 4 с раздельными областями р и
л типа; л область получена напылением металла доно-
ра при закрытой левой половине нанотрубки. Таким обра-
зом, на одной нанотрубке объединены рил полевые
транзисторы. Электрод 2 — общий сток, электроды / и 3 —
истоки для р и л областей, общим затвором служит пла-
стина кремния. Так как на контактах трубок с металличе-
скими электродами возникают барьеры Шоттки, тор-тран-
зистор оказывается открытым, когда на затворе «-», а
л-транзистор открыт, когда на затворе «+». Разрабатыва-
ются структуры, для которых возможна интеграция на од-
ном чипе многих полевых транзисторов на нанотрубках.
Элементы памяти. Рассмотрим две возможности изго-
товления элемента памяти с использованием нанотрубки.
Первая возможность. Элемент представляет собой закрытую
нанотрубку (10,10) диаметром 1,4 нм, внутри которой нахо-
дится молекула металлофуллерена. 11од действием электри-
ческого тока эта молекула может пещ’мещнться в одну сто
рону (бит 0) или в другую (бит 1), причем для ее перемеще-
ния требуется времени в 10 раз меньше, чем у обычных
переключателей.
Вторая возможность пояснена с помощью рис. 8.60. На
рисунке приведена схема варианта «алмазной» памяти с
предельно малым носителем бита информации — одним
атомом. Зонд АСМ (нанотрубка (9,0) или (5,5)) закапчива-
ется полусферой Сын к которой крепитгл молекула пириди-
на (CjIIsN). Алмазная поверхность покрывается монослоем
300 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение • cnruuoi.xocmi.
301
Рис. 8.60
Схема элемента • алмазной» памяти
ЛШШШШШШ Наютрубки
1 — 1'Н — Катод
Ряс. 8.61
Схема дисплея. работающего
ни автоэлектронной эмиссии
из нанотрубок
атомов водорода, некоторый из которых замещаются ато-
мами фтора.
Согласно квантовым моделям, молекула Cr,H5N при
сканировании вдоль поверхности способна отличить по
силе взаимодействия атом фтора от атома водорода. Так как
на одном квадратном сантиметре поверхности помещается
-1015 атомов, то плотность записи может достигать 100 те-
рабайт/см2 (плотность записи в DVD-дисках — 10 «тера-
байт/см2). Имеются и более традиционные пути использо-
вания нанотрубок для создания элементов памяти.
Дисплеи на нанотрубках. Работа дисплеев с использо-
ванием нанотрубок основана на полевой (автоэлектронной)
эмиссии трубок (см. п. 8.5.3). Преимущества нанотрубок в
качестве холодных эмиттеров электронов отмечены в пре-
дыдущем разделе. Схема дисплея показана на рис. 8.61.
Катод покрыт слоем нанотрубок, ориентированных в
направлении анода. На аноде расположен люминофор.
Если на электроды подано напряжение соответствующей
полярности, то нанотрубки заряжаются отрицательно,
линии электрического поля искривляются и сгущаются у
их концов, напряженность электрического поля вблизи
нанотрубки становится огромной, щюисходит вырывание
электронов с кончика нанотрубки.
Чвгя>- 3 ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ
Внешнее поле формирует
пучок электронов. Попадая на
анод, электрош.1 вызывают
свечение люминофора. На-
пример, ZnSc добавками меди
и алюминия дает зеленое све-
ченис, с добавками серебра —
синее. К{>асный цвет получают
на оксиде иттрия, легирован-
ного атомам и европия (Ей).
Дисплеи на нанотрубках
легче и тоньше плазменных
или жидкокристаллических
панелей, имеют лучшее раз-
решение, контрастность и
цветопередачу. Дисплей на
нанотрубках должен быть
более экономичным: средняя
плазменная модель потреб-
ляет -500 Вт, а дисплей на ут-
ле|юдных нанотрубках того
же размера -100 Вт. Вместе
с тем ТВ-дисплей на углерод-
ных нанотрубках будет де-
шевле плазменных и жид-
кокристаллических.
На номеханические систе
мы. Согласно теоретическим
расчетам, молекулы бензола
могут связываться с поверх ко-
стью углеродной нанотрубки,
а нанотрубки с присоединен-
ными молекулами бензола
можно использовать в моле-
кулярных зубчатых переда-
чах. Примеры потенциально
возможных наноразмерных
механических передач при-
ведены на рис. 8.62.
а
Рж. 8.62
Молекулярные зубчатые
передачи на углеродных
нантрувках:
а — молекулярные шестерни, и
которых зубцами являются мо-
лекулы бензола; б — пял и шес-
терня.
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
Чвгм» 3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
303
302 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ • слщиалмогли
На рис. 8.62 изображены валы в виде углеродных на-
нотрубок; зубцами являются молекулы бензола. Зубцы
(см. рис. 8.62а) передают вращающий момент от ведущей
шестерни к ведомой; диаметр каждой шестерни составляет
1,1 нм, хиральность — (14,0). Передача (см. рис. 8.626) пре-
образует щтщателыюс движение шестерни в поступатель-
ное движение вала. Ведущая шестерня приводится в дви-
жение лазерным «мотором». Принцип действия мотора со-
стоит в следующем. На противоположные концы диаметра
нанотрубки помещаются два свободных заряда и -q, на-
пример с помощью подходящих функциональных групп
(см. п. 8.5.3). У такой нанотрубки есть собственная частота
колебаний вокруг своей оси в плоскости, перпендикуляр
ной оси. При частоте колебаний поля лазера, приблизитель-
но равной частоте собственных колебаний шестерни, и над-
лежащем выборе сдвига фаз возникнет однонаправленное
вращение шестершг. Передача, показанная на рис. 8.62а.
может работать в вакууме с частотой до -100 ГГц.
Расчеты показывают, что есть принципиальная воз-
можность создания устройств «валсмуфтой» и «нанопор-
шень». В первом случае внутренняя трубка двухслойной
нанотрубки вращается внутри внешней практически без
трения. Во втором случае группа внутренних трубок мно-
гослойной нанотрубки скользит вперед и назад внутри
внешних трубок с очень малым трением, что требуется для
механических частей наномеханизмов. Если «поршень»
вытащить и отпустить, он станет втягиваться внутрь под
действием сил Ван-дер-Ваальса, и возникнут собственные
колебания «поршня» с частотой -10я Гц (величина быст-
родействия современных процессоров).
Нанопоршни, валы, подшипники и зубчатые переда-
чи могут стать важными составными частями будущих
наномеханических систем, например нанороботов.
В настоящем параграфе рассмотрены только несколь-
ко примеров возможных применений нанотрубок (глав-
ным образом в электронике). Проектов применения на-
нотрубок в различных областях имеется множество, и в
большинстве случаев предполагается получить впечат-
ляющий эффект.
8.6.
ФОРМИРОВАНИЕ
КВАНТОВЫХ ТОЧЕК И ПРОВОЛОК
В разделе 8.2.2 был рассмотри метод формирования
квантовых точек в виде упорядоченных массивов на эпи-
таксиально растущих поверхностях. Однако для одноэлек-
тронных устройств (транзисторов, элементов памяти и
других) нужны одиночные квантовые точки. Квантовые
проволоки необходимы для некоторых оптоэлектронных
структур (например, лазерных). В полупроводниковых
материалах квантовые проволоки и точки вырезаются из
структур с квантовыми ямами. Для этой цели прямо или
косвенно используется нанолитография.
По способу формирования квантовые точки и прово-
локи делятся на постоянные и индуцированные.
На рис. 8.63 приведена схема, поясняющая процеду-
ру формирования постоянных квантовых точек методом
пространственного выделения локальных круговых уча-
стков квантовой ямы. Используется квантовая яма, воз-
никающая у гетероперехода GaAs AlGaAs. На поверх-
ность структуры одним из методов нанолитографии на-
носится система окружностей из фоторезиста (рис. 8.63а),
диаметр окружностей — наноразмерный. Участки фото-
резиста служат масками для травления. Производится
глубинное травление верхней части композиции — уда-
ляется весь слой AlGaAs и частично GaAs (рис. 8.636).
Электроны 2£)-газа оказываются запертыми в образовав-
шихся цилиндрах. Аналогичным образом из квантовой
Рж- а.вз
Схема мгтгк1а формирования коактопм точек посред
стнам выремния цилша1ричсских областей в структуре
гетероперехода GaAs AlGaAs с квантоной ямой:
а — композиция GaAs AlGaAs после нняеееяия резист»,
экспонирования и проявления резиста; 0 — композиция
после глубинного травления.
3(М
НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Воедекие « ел«^*л.»ост»
Ч«гж» з. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
305
Схема /к>нолле к тронною
транлиетора ни одной индуциро
ванной квантовой точке
Рвс.&вб
Схема метода получения
индуцированной квантовой
проволоки
ямы вырезаются квантовые проволоки. Пример форми-
рования проволокописан в п. 8.3.3 (рис. 8.11).
Индуцированные квантовые точки и проволоки так-
же вырезаются из квантовых ям с 2£>-электронным газом,
но ограничение движения электронов но одному или двум
направлениям в квантовой яме производится при помощи
обедненных областей, создаваемых специальными затво-
рами. Парис. 8.64 показана схема одноэлектронного тран-
зистора, работающею на одной индуцированной квантовой
точке. Схема поясняет способ формирования квантовой
точки (острова) с помощью специальной системы затворов.
На поверхность гетероструктуры GaAs-AlGaAs (/), со-
держащей квантовую яму с 2Л-гаэом (гетеропереход), на-
несена система металлических электродов 2-5, ицшющих
роль затворов. На электроды 2,3,4 подается отрицательное
смещение. В результате отталкивания электронов 2D-газа
вокруг этих элек'пюдов образуются обедненные области,
границы которых показаны на рисунке пунктиром. Обед-
ненные области отделяют квантовую точку с электронным
газом (6 — в центре рисунка) от остального 2£>-газа. Инду
циро ванная кваптовая точка служит островом, обедненные
области — туннельными барьерами. Электрод 5 (затвор) ис-
пользуется для изменения энергии острова относительно
остального 2D-газа. Размер квантовой точки составляет
-100 нм. При температурах менее 1 К в такой структуре мо-
гут возникать осцилляции кулоновской блокады.
Следует отметить, что размеры квантовых точек, фор-
мируемых рассмотренными методами, относительно ве
лики, и дискретность их энергетического спектра может
проявляться только при очень низких температурах.
Аналогичным образом, с использованием обедненных
областей в 2D-газе, можно формировать индуцированные
квантовые проволоки. Схема метода показана на рис. 8.65.
На рисунке: 1 и 2 — это металлические электроды, 3 —
затворы, 4 — область 27>элект|юнного газа. Подачей от-
рицательных потенциалов на затворы в 2D-raae создают-
ся обедненные области (их границы обозначены пункти-
ром). Сужение между ними представляет собой кванто-
вую проволоку, диаметр которой можно регулировать
величиной смещения на затворах. Именно в такой струк-
туре впервые экспериментально наблюдалось квантование
сопротивления (при 0,6 К).
8.7
КОНТАКТЫ
К ОТДЕЛЬНЫМ МОЛЕКУЛАМ
При проектировании молекулярных электронных схем
ключевой задачей является расчет электронного транс пор-
та в схеме. Решение этой задачи требует знания электро-
проводности отдельных молекул, используемых в качест-
ве межсоединений, а также электрических характеристик
тех молекул, которые служат базовыми элементами. Для
экспериментального определения этих величин необходи-
мо подсоединять источник тока и измерительные прибо-
ры к концам индивидуальной молекулы. Проблема кон-
тактов — одна из сложнейших в молекулярной электро-
нике. Контакты должны быть омическими, иметь малое
сопротивление по сравнению с сопротивлением самой мо-
лекулы, а среда, окружающая и поддерживающая саму
молекулу, должна иметь электрическое сопротивление на
несколько порядков более высокое, чем исследуемая мо-
лекула. Только при таких условиях можно считать, что
измеренные характеристики относятся к самим молеку-
лам и не искажены окружающей средой.
В лабораторных условиях реализовано несколько мето-
дов соединения молекул с электродами. Хороший электри-
ческий контакт дает химическая связь между молекулой
и опубликовал на сайте Р R Е S S I( Н Е R S О N )
Ч«л> 3 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 307
306 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. ВвгЗгм* в спгциа«поопь
и электродом. Экспериментально установлено, что сильная
химическая связь образуется между атомами серы (или се-
лена) и атомами золота (или серебра). Поэтому- в болыпип
стве опытов использовались золотые электроды и измеря-
лось сопротивление органических молекул с концевыми
группами, содержащими атомы серы. Для форми[*ования
электродов, между которыми находятся молекулы, соеди-
ненные с ними концами, применяется несколько методов.
Рассмотрим некоторые из них.
Механически контролируемый разрыв. Схема устрой-
ства для проведения механически контролируемого разры-
ва показана на рис. 8.66. Эластичная подложка 1 покрыва-
ется изолирующим слоем 2. Поверх слоя литографиче-
ским способом наносится золотая полоска 3, состоящая из
двух широких частей, соединенных узкой перемычкой
(рис. 8.666). Изолирующий слой вокруг золотой структу-
ры удаляется травлением, при этом происходит его подтрав
ливание под золотой перемычкой, и образовавшийся мос-
тик оказывается в подвешенном состоянии. В вакуумной
камере подложка фиксируется в трех точках (в центре и по
краям, рис. 8.66а), что дает возможность изгибать ее, при-
жимая прутком 4 к упорам 5. Подложку осторожно изги-
бают, при этом измеряется сопротивление между широки-
ми концами золотой полоски. Узкий золотой мостик рас-
тягивается и разрывается. Момент возникновения разрыва
6 узкой части — мостика (рис. 8.666) — фиксируется по
скачку сопротивления. Регулируя изгиб подложки, мож-
но сближать и удалять друг от друга концы мостика на не-
обходимое расстояние. Точность установки расстояния ме-
жду концами мостика составляет -0,01 нм. Устройство по-
зволяет сближать концы мостика на расстояние, равное
длине молекулы.
С помощью этого метода измерялась электропроводность
нескольких видов молекул. На рис. 8.66а,г,д приведены
структуры Tj>ex видов молекул. Подготовленные электро-
ды погружались в разбавленный раствор, содержащий ис-
следуемые молекулы, и на поверхности электродов форми-
ровался упорядоченный слой этих молекул. Растворитель
испарялся, электроды сближались до наступления прово-
ди мости между ними. При этом расстояние между концами
мостика было равным длине молекулы (рис. 8.66₽).
В настоящее время нет метода микроскопии, позволяю-
щего наблюдать молекулы в переходе между электродами.
По некоторые результаты (воспроизводимость величины
7«ст» 3. ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ
зое
308 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Ввгдгхи в еллц.0лм«Я1
сопротивления между контактами, вид зависимости диф-
ференциальной проводимости dJ/dU от напряжения U) го-
ворят в пользу того, что с двумя электродами контактиру-
ет только одна молекула (см. рис. 8.66е).
Молекулы-проводники (в) и (г) имеют одинаковую
длину— 2 нм, одинаковые концевые группы, одинако-
вую концевую симметрию. Их измеренное сопротивление
приблизительно одинаково и составляет ~2 МОм. Сущест-
вуют молекулы-проводники с иным сопротивлением (20-
100 МОм). Для молекул-изоляторов типа (д) сопротивле-
ние составляло-5 ГОм.
Метод электромиграции. Метод аналогичен предыду-
щему. В качестве исходной также используется золотая
пластинка шириной -100 нм и толщиной -15 нм, располо-
женная на изолирующей подложке и имеющая посередине
мостик — сужение. Пластинка погружается в раствор, со-
держащий исследуемые молекулы, которые формируют
упорядоченный монослой на поверхности пластинки. По
пластинке пропускается ток возрастающей величины, про-
исходит электромиграция атомов золота, и пластинка раз-
рывается в самом узком месте. Получается зазор шириной
1-2 нм, куда электрическим полем втягивается молекула
и прикрепляется коицевыми атомами серы к электродам —
краям разрыва. Таким способом была соединена с элек
тродами молекула-транзистор в устройстве, описанном в
разделе 7.8.5.
Метод димеров. Недостатками двух предыдущих мето-
дов являются отсутствие достоверных данных о числе моле-
кул между электродами и отсутствие информации о форме и
структуре металлических контактов вблизи молекулы. Ме-
тод димеров позволяет с большей надежностью установить
наличие между контактами единственной молекулы.
Для синтеза димеров раствор молекул с тиоловыми
группами на обоих концах смешивался с коллоидными
частицами золота диаметром 10 50 нм. Расстояние меж-
ду ними может составлять -1 нм (рис. 8.67а), что пример-
но соответствует длине молекулы BDMT. Структуры ис-
следованных молекул показаны на рис. 8.67а. Молекулы
прикреплялись к коллоидным частицам посредством об-
Р»с.8.в7
Структуры трех
иселе&аванных молекул:
а — 1,4-беюол-даметашугиил (BDMT);
4,4’ бифеииллитинол (BPD); Си
(4 меркапт<>фемил)-эфир(ВРЕ);б —
* электроняомикроскопические изо-
бражения димеров, тримеров и тет-
рамеров BDMT; в — димеры колло
идных частиц; е — схема димера в
контакте с двумя электродами.
Э лей-род
разования прочных химических связей между концевы-
ми атомами серы и атомами золота. Если к определенной
коллоидной частице присоединялась не одна молекула,
то формировались тримеры, тетрамеры и т. д. Много ме-
ры составляли несколько процентов от общего числа час-
тиц. На рис. 8.670 приведены изображения димеров, три-
меров и тетрамеров. Изображение димера представлено
на рис. 8.67в. Для доказательства того, что большинство
димеров содержат только одну связующую молекулу, срав-
нивались величины копцент|>аций димеров с исходными
концентрациями молекул и коллоидных частиц. Димеры
диаметром 30 нм помещались с помощью специальной
процедуры на электроды (рис. 8.67г).
Измерения показали, что переходное сопротивление
«электродноколлоидная частица» имеет величину-10 МОм,
сопротивление молекул BPD (проводников) изменяется в
пределах 5-0,5 ГОм при изменении напряжения в преде-
лах 0,1 0,5 В. Для молекул ВРЕ и BDMT проводимость
появляется при напряжении ~1,5 В и ~1 В соответственно
и составляет -5 ГОм. В молекулах ВРЕ атом кислорода
между сопряженными кольцами (рис. 8.67а) полностью
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
Часть з. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
311
310 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ ВйгЗгкиг л сптиалыикть
подавляет проводимость при U < 1,5 В. Аналогичный эф-
фект имеет место для молекул BDMT, в которых копце-
вые метиленовые группы подавляют перекрытие молеку-
лярных орбиталей с контактами.
Таким образом, к настоящему времени найдены спо-
собы соединения концов некоторых органических молекул
с электродами. Экспериментально показано, что индиви-
дуальные молекулы способны проводить ток; измерено со-
противление ряда молекул. Показано, что проводимость
молекулы зависит от ее структуры и что вольт-амперные
характеристики перехода « металл-молекула-металл» не-
линейны. Па кривых зависимостей J(U) имеются особен-
ности, которые можно интерпретировать как проявление
кулоновской блокады.
8.8.
ЛИНЕЙНАЯ МЕРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ
С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОННЫХ
И АТОМНО-СИЛОВЫХ МИКРОСКОПОВ
8.8.1.
НАЗНАЧЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ МЕР
В настоящее в[«емя измерения в микро- и наномерно-
вом диапазонах осуществляются с помощью растровых
электронных и сканирующих зондовых микроскопов. На-
пример, на предприятиях, производящих микроэлектрон-
ные устройства, имеются операторы, измеряющие линей-
ные размеры элементов ИМС в процессе их изготовления.
Измерения производятся на электронных и атомно-сило-
вых микроскопах. В Международной программе развития
микроэлектроники до 2016 г. сформулированы требова-
ния к точности измерения элементов СБИС с проектными
нормами от 115 нм (2002) до 22 нм (2016.). Согласно этим
требованиям, точность измерения элементов должна со-
ставлять 1-2% от проектной нормы.
Для обеспечения единства измерений и их точности
проводится калибровка микроскопов по специальным об
разцам — линейным мерам, выполненным в виде рельеф
ных периодических структур с заданными параметрами
профиля.
В атомно-силовой микроскопии для измерения разме-
ров порядка атомарных в качестве линейных мер приме-
няются периодические структуры в виде кристаллических
решеток, параметры которых определены с помощью рент-
геновской дифракции. Для калибровки микроскопов на
диапазон измерений от нескольких нанометров до микро-
метров в разных стенах используются разные линейные
меры. Одна из используемых в России линейных мер —
МШПС 2.0 К, что означает — мера ширины и периода
специальная, номинальный размер 2,0 мкм, кремниевая.
Это — универсальная (единая) мера для электронной и
атомно-силовой микроскопии.
8.8.2.
ЛИНЕЙНАЯ МЕРА МШПС-2.0 К
Линейная мера МШПС-2.0 К представляет собой из-
готовленную по технологии микроэлектроники шаговую
структуру на поверхности пластины кремния с ориента-
цией (100). Рельеф структуры получается анизотропным
травлением пластины кремния (100) в растворе КОН че-
рез литографическую маску. Схема структуры с обозна-
чением ее параметров приведена на рис. 8.68.
В результате травления профиль каждой канавки
приобретает форму трапеции с одинаковыми боковыми
сторонами — плоскостями
(111), а угол наклона боко-
вой стороны относительно
нижнего основания канав-
ки равен 54,74° — это угол
между кристаллографиче-
скими плоскостями моно-
кристалла кремния(100)и
(111); угол <р - 35,26° (см.
рис. 8.68). Расстояние t на-
зывается шагом структуры;
ир — ширина линии; Л — вы-
сота (глубина) рельефа. При
заданном шаге t структу-
ры можно изготовить меры
Справа указаны кристаллогра
фические ориентации боковых
сторон и оснований выступов
312 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. В«гЭгкиг о «ициалыиия.
Г«< 8.Вв
Скол линейной меры в электронном микроскопе fa) и в атомно
силовом микроскопе (О)
300 ме-
зо мкм
с шириной линий ир, изме-
няющейся я диапазоне 30-
500 нм, и глубиной рельефа h
в 100-500 нм. Все три па-
раметра шаговой структуры ли
нейной меры задаются при ее
изготовлении.
На рис. 8.69 приведено изо-
бражение скола структуры ли-
нейной меры.
Общий вид меры МШПС-
2.0 К представлен на рис. 8.70а.
На площади 1x1 мм2 по уг-
лам квадрата и в его центре
расположены 5 модулей, по
три шаговые структуры в каж-
дом. Увеличенное изображение
одного модуля с тремя шаговы-
ми структурами приведено на
рис. 8.706. На рис. 8.70в приве-
дено изображение одной шаго-
вой структуры с 11 канавками и
10 выступами. На рис. 8.70б,е
видны маркерные линии, по-
зволяющие устанавливать зонд
Змш
Рис. 8.70
Микрофотографии меры МII1IIC 2.0 К. выполненные на растровом
электронном микроскопе: общий оиО меры (а), мо&ел» с тремя
шаговыми структурами (в), шаговая структура с И канавками
и 10 выступами (в)
Честь .1 ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 313
кантилевера или электронный зонд на половине длины
элемента рельефа и выбирать заданную пару элементов.
Аттестация линейных мер сводитсл к измерению их
геометрических параметров с такой точностью, которая
позволяет использовать эти меры для калибровки элек-
тронных и атомно-силовых микроскопов.
8.8.3.
АТТЕСТАЦИЯ МЕРЫ МПШС-2.0 К
Измерения на электронных микроскопах шага струк-
туры в разных модулях (рис. 8.70) показали, что его зна-
чения отличаются друг от друга и разброс этих значений
характеризуется среднеквадратической погрешностью
24 нм. Разброс обусловлен неровностями края и иными
дефектами рисунка на шаблоне, а также неоднородностью
свойств поверхности пластины кремния, локальной тур-
булентностью потоков жидкости в травителе и други-
ми причинами, оказывающими влияние на ско[*ость трав-
ления кремния.
Среднеквадратическая погрешность размера шага на
малой площади составляет -5 нм, что существенно мень-
ше, чем при усреднении разме[>а шага по всем 15 шаго-
вым структурам. Поэтому для повышения точности атте-
стации она производится следующим методом. Выбира-
ется участок меры размером 2x3 мкм2, расположенный в
средней структуре центрального модуля, и измеряется
расстояние между эквивалентными стенками второго и
третьего выступов в районе маркерных линий (шаг меры t
рис. 8.68). Аттестуются также размеры оснований высту-
пов Ьр, канавок Ъ, и величина h, т. е. глубина рельефа. По
аттестованным элементам пользователь может сам экспе-
риментально измерить размеры элементов во всех осталь-
ных модулях и использовать эти данные в своей работе.
Аттестация мер производится на эталонной инте|>фе-
ренционной установке, надставляющей собой атомно-
силовой микроскоп, у которого перемещения вдоль каж-
дой из осей координат контролируются лазерными интер-
ферометрическими измерителями наноперемещепий. По
всем трем координатам измерения щюизводятся в долях
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
314 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. aardeKur л гле«ы|лм>хп»
длины волны лазерного излучения, то есть с абсолют-
ной привязкой к первичному эталону единицы длины —
метру.1 Диапазон перемещений по осям х и у составляет
1 300 нм при погрешности измерений 3 нм. Диапазон пе-
ремещений по оси г составляет 1-1000 нм при погрешно-
сти измерений 0,5-3 нм.
Мера МШПС-2.0 К [>екомендуется для электронных и
атомно-силовых микроскопов, работающих в диапазоне от
10 нм до 100 мкм. Используя аттестованные значения шага
меры t и глубины рельефа h, определяют цену деления шка-
лы АСМ вдоль оси сканирования, а также в направлении
вертикальной оси. По аттестованным значениям Ьр, Ь,, ир,
и, и их измеренным с помощью АСМ значениям определя-
ют радиус острия зонда. Используя МШПС-2.0 К, устанав-
ливают и другие характеристики АСМ.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Охарактеризуйте два основных принципиально различных под-
хода к изготовлению наноструктур.
2. Опишите основы, достоинства и недостатки молекулярно лу-
чевой эпитаксии.
3. Опишите процесс формирования квантовых точек посредством
самоорганизации при эпитаксии.
4. Опишите методику получения квантовых точек и проволок,
основанную на использовании эпитаксии и нанолитографии.
5. Охарактеризуйте сферу практического применения массивов
квантовых точек в приборных структурах.
6. В каких приборных структурах находят применение одиноч-
ные квантовые точки?
7. Какими факторами ограничивается разрешающая способность
оптической литографии?
8. Опишите направление и этапы развития современной оптиче-
ской фотолитографии.
9. В чем особенности, достоинства и недостатки алектронно лу-
чевой литографии и нанолитографии?
10. В чем особенности, достоинства и недостатки рентгенолито
графии?
Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЗЛЕКТРОНИКИ 315
11. В чем особенности, достоинства и недостатки импринтлитогра •
фии?
12. В чем особенности, достоинства и недостатки перьевой нано-
лито графин?
13. В чем особенности, достоинства и недостатки методов наноли
тографии, основанных на использовании СТМ и АСМ?
14. Опишите принципы работы, назначение к области примене-
ния сканирующего туннельного микроскопа.
15. Опишите принципы работы, назначение и области примене-
ния атомно-силового микроскопа.
16. Каковы физические основы использования СТМ в наиотехно-
логии?
17. Каковы физические основы использования АСМ в нанотехно-
логии?
18. Опишите и поясните требования к зондам, используемым в зон-
довых микроскопах. Как эти зонды делаются?
19. Что такое углеродные фуллерены и нанотрубки?
20. Какие виды нанотрубок вы знаете?
21. Опишите методы получения нанотрубок.
22. Какими механическими и алектрическими свойствами обла-
дают углеродные нанотрубки?
23. Опишите перспективы применения нанотрубок в электронике.
24. Как делаются электрические контакты к отдельным молекулам?
25. Что такое линейная мера, для чего она используется в элек-
тронной и зондовой микроскопии?
* По рекомендации IX Сессии Консультативного комитета по дли-
не в сентябре 1907 г., в качестве материального носителя единицы
длины было рекомендовано излучение He-Ne-лаэера на длине волны
А- 632,99139812 им.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Наноэлектроника — одно из наиболее судьбоносных для
развития цивилизации научно-технических направлений.
В не столь отдаленном будущем оно коренным образом
изменит все важнейшие характеристики электронной ап-
паратуры, значительно ускорит создание эффективных
систем управления глобальными экономическими, соци-
альными и экологическими процессами и существенно
улучшит качество жизни человека. Наноэлектроника не-
сомненно станет инструментальной базой реализации про-
ектов искусственного интеллекта и позволит создавать
«разумные» роботы микро- и наноразмеров.
Фронт работ в области наноэлектроники чрезвычайно
широк. Обилие новых принципов, методов и материалов,
привлекаемых для создания наноалек-пюнных устройств,
поражает воображение. Пока неясно, какие из методов и
материалов станут для наноэлектроники базовыми, т. е.
выведут ее на уровень полномасштабного серийного про-
изводства высоконадежных экономически конкурентных
приборов, схем и систем. Поэтому в данном пособии при-
ведено достаточно много идей, потенциально полезных для
наноэлектроники. Выбор материала, излагаемого на лек-
циях, должен делать преподаватель, сообразуясь с доми-
нирующими в период чтения лекций тенденциями в на-
ноэлектронике.
Итогом конкурентной борьбы между различными на-
правлениями развития наноолектроники будет выход на
первые позиции сравнительно небольшого количества
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 317
материалов и подходов, которые станут использоваться в
крупномасштабном производстве наноалектронной аппа-
[мггуры нового поколения. Именно такой сценарий разви-
тия прошла микроэлектроника. В качестве основы для
микроэлектронных устройств переработки и хранения
информации в 60-е гг. XX столетия щюдлагалось исполь-
зовать ионные, электронные, магнитные, диэлектриче-
ские, акустические, оптические и другие процессы в раз-
личных материалах. С 1965 г. и по настоящее время стала
доминирующей полупроводниковая электроника, а базо-
вым материалом оказался кремний. Он прекрасно обраба-
тывается и обеспечивает получение субмикронных схем-
ных элементов, химически стабилен сам, как и форми-
руемые на нем приборные структуры. Именно поэтому
направление наноэлектроники, основанное на кремние-
вой интегральной технологии, уже используется в массо-
вом производстве. К сожалению, это направление перспек-
тивно для освоения лишь «верхнего» диапазона нанораз-
меров (10-100 нм). Для освоения «нижнего» диапазона
(1-10 нм) необходимы принципиально иные подходы. Они
могут реализоваться и на полупроводниковых, и на но-
вых материалах. На полупроводниковых материалах уда-
ется создавать наноэлементы для обработки и хранения
информации, в которых используются особые полупровод-
никовые структуры. Сюда относятся нульмерные, одно-
мерные и двухмерные наноструктуры. Удается также со-
хранить важную для практики технологию создания мно-
гоэлементных интегральных микросхем.
Свойства новых материалов предстоит всесторонне ис-
следовать, прежде чем использовать в наноолектронике.
К таким материалам в первую очередь относятся нано-
трубки и сложные органические молекулы. Создание от-
дельных электронных элементов различного схемного
назначения на указанных материалах успешно реализу-
ется. Однако до разработки надежных, экономически при-
влекательных электронных систем типа ИМС еще доста-
точно далеко. На этом пути предстоит преодолеть немало
принципиальных и технологических трудностей. У тех
специалистов, которые раньше станут на этот путь, будет
и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
нмннгаш111ВМ11МП1вин1а1Ппаы11нм1Ш11гаяя1п.11«»п11ПЛП1
318 НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ ВенНнче в гмцмлмгхпи.
больше шансон выйти н первые ряды создателей новой
электроники.
Одно из достоинств специальности «Нанотехнология
в электронике» — ее чрезвычайно высокая наукоемкость.
Эта специальность основана на новейших достижениях
физики, химии и биологии. Элементы наноэлектронных
систем, технология их изготовления, используемая кон-
трольная и диагностическая аппаратура проектируются
и функционируют непосредственно на основе фундамен-
тальных законов природы, управляющих электронными
и атомными процессами в материальных объектах. Обу-
чение по данной специальности позволяет студенту осво-
ить законы фундаментальны х наук настолько глубоко, что
любые новации в современной технике будут им легко ос-
мысливаться и осознанно использоваться в последующей
профессиональной деятельности. Это открывает выпуск-
нику специальности «Нанотехнология в электронике»
перспективы эффективного участия в научно техническом
прогрессе не только своей, но и смежных областей.
ЛИТЕРАТУРА
Альтман Ю. Военные нанотехнологии. Возможности примене-
ния превентивного контроля вооружений. М.: Техносфера,
2006. 424 с.
Афанасьев А. В. Нанотехнология: физика, диагностика, приборы.
М.: Физматлит, 2006. 260с.
Битюков В. К., Голоденко Б. А., Голоденко А. Б. Нанотехнологии.
Введение в дисциплину. Воронеж: Гос. технолог, академ.,
2002. 65 с.
Битюков В. К., Голоденко Б. А. Нанотехнологии. Принципы, мето-
ды и реализации. Воронеж: Гос. технолог, академ., 2003. 192 с.
Головин К). И. Введение в нанотехнологию. М.: Машиностроение,
2003. 111с.
Драеунов В. П„ Неизвестный И. Г., Гридчин В. П. Основы электро
ники. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. 496 с.
Дьячков П. Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, приме
нение. М.: Бином, 2006. 293 с.
Илюшин В. А. Величко А. А. Процессы в нанотехнологии. Новоси-
бирск: Изд-во НГТУ, 2004. 107 с.
Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. М.: Бином, 2005. 135 с.
Мартинес Дуарт Д. М. Нанотехнология для микро и оптоэлек-
троники. М.: Техносфера, 2007. 368 с.
Миронов В. J1. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М.:
Техносфера, 2005. 144 с.
Нанотехнология в ближайшем десятилетии / Под ред. М. К. Роко,
Р. С. Уильямса. П. М. Аливисатоса. М.: Мир, 2002. 292 с.
Нанотехнологии в полупроводниковой электронике / Под ред.
А. А. Асеева. Новосибирск: Изд-во Сибирск. отд. РАН, 2004.
367 с.
Нанотехнологии в электронике / Под ред. Ю. А. Чаплыгина. М.:
Техносфера, 2005. 448 с.
Неволин В. К. Зондовые нанотехнологии в электронике. М.: Техно
сфера, 2005. 152 с.
Пул Ч. Мир материалов и технологий. Нанотехнологии. М.: Техно
сфера, 2004. 327 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
321
ПРЕДМЕТНЫЙ
УКАЗАТЕЛЬ
21>-визуализация,
ЗЛвн.туалиэация 245
Акцепторы 87
Античастицы 30
Атомно-силовой микроскоп 141,
258
Базовые полупроводниковые
структуры 122
Баллистический режим движе-
ния носителей заряда 155
Барьерная емкость 103
Бесконтактный режим сканиро
ванна 260
Бестнгельная зонная плавка 120
Взаимная компенсация примес-
ных уровней 89
Волна де Бройля 66,143
Вол повое число, вол ноной
вектор 66
Вольт-амперная
характеристика 105
Время жизни неравновесных
носителей заряда 91,94
Вынужденное излучение 70
Генерация неравновесных
носителей светом 93
Гетеропереход 61,101, Ill
Гетероструктура 122
Гетероааитаксня 122
Гигантское магнито-
сопротивление 138,182
Гомоэпитексия 122
Двойкой
электрический слой 103
Двухмерная подзона 150
Двухмерная
потенциальная яма 137
Двухмерный объект 145
ДГС лазеры 156,157
Диод Шоттки 101
Дисплеи на нанотрубках 300
Дифракция быстрых
электронов 206
Дифференциальное
сопротивление 106
Диффузионная длина неравно-
весных носителей заряда 91,
94,108
Диффузионное легирование
123.124
Диэлектрики 82
ДНК матрицы. ДНК чип 197
Домены магнитные 184
Донорные примеси, уровни 86
Дырки 92
Естественнонаучные дисципли-
ны 43, 44, 46
Жесткость (коэффициент
упругости) кантилевера 262
Закон Мура 131
Закон Ома 83
Заполнение нанотрубок 292
Зона энергетическая 79
— валентная 81, 82
— запрещенная 82
— проводимости 81,82
— разрешенная 81, 82
Зондовые нанотехнологии 240
Зондовый датчик АСМ 261,262
Зонды СТМ 247
Зонная инженерия 164
Зонный энергетический
спектр 79
Иерархическая система матери
альных структур 21
Инверсная населенность
энергетических уровней 110
Индуцированные квантовые
точки, проволоки 304
Инжекционный квантовый
генератор 91
Инжекция 90,108
Интсгр«л1Лая
микросхема 40, 62
Интегральная нолупровод
никовая электроника 58, 62,
63,133
Инфракрасные
фотоприемники 168
Ионная имплантация (ионное
легирование) 125
Кантилевер 258
Квант проводимости 156
Кваятоапя проволока (нить)
137,146
Квантовая точка 137,146
Квантовая яма 137, 145, 149
Квантовое число 69
Квактоворнзмер’1 ы'‘
эффекты 143
Квантовые вычисления (кванто-
вый компьютер) 140
Квантовый генератор (лазер) 70
Квантовый эффект Холла 153
Контактная разность
потенциалов 104
Контактный режим
сканирования 258
Контакты к индивидуальным
молекулам 305
Коэффициент полевого
усиления 290
Коэффициент прозрачности
потенциального барьера 77
Кубит 140
Кулоновская блокада 136
Кулоновская лестница 179
Лазеры
— инжекционные на сверхре
щетках 170
— инжекционные полупровод-
никовые ПО
— квантовые каскадные 1 72
— на квантовых точках 211
— эксимерные 219
Ламповая электроника 58,
60, 61
Линейная мера 311
Литография 126,216
— иммерсионная 221,222
— импрннтная 235,238
— интерференционная 237
— ионная 234
— оптическая (фотолитонжфия)
126,128, 217, 218, 219,
221.224
— — контактная 217
— — проекционная 217
— рентгеновская 128,232
— электронно лучевая 128, 224
— электронно-лучевая
SCALPEL 229
Магнитные полупроводники 97
Магнитосооротивлсяне 182
Макромолекулярная
электроника 188
Маска с оптической
коррекцией 220
Маесоперенос с острия
аонда 256
МДП -структура 101,109
Металлический одноалектрон
кый транзистор 179
Методы легирования
кристаллов 123
Микроэлектроника 58,62
Мини-эоны 166
Минимальная топологическая
(проектная) норма 130
Молекулы-диоды 192
Молекулы-изоляторы 191
Молекулы-проводники 191
Молекулы транзисторы 193
и опубликовал на сайте' Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
322
НАНОТЕХНОЛОГИИ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Berf«ue « гмцо.ногт
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
323
Молекулярная электроника 190
Молекулярные элементы
памяти 194
МОП-струхтура 61
Наногетероструктуры 202
Нанолитография в экстремаль-
ном ультрафиолете 222
— на основе атомно-силового
микроскопа 267
Наномеханические системы 301
Нанорвзмерный аффект 138
Наностручки 293
Нанотехнология 4
Нанотрубки 137
— бор-нэотпые 295
— интеркалированные 292
— металлические 295
— многослойные 281
— неуглеродные 294
— однослойные 279
— полупроводниковые 295
— углеродные 138,278
Нанозлектроиика 58
Неосновные носители заряда 87
Нить (проволока) накоразмер-
•гой толщины 137
Нульмерные наноструктуры 136
Одномерная
потенциальная яма 74
Одномерные наноструктуры 136
Одноэлектронное туннелирова-
ние 136
Одноэлектронкые приборы 174
Одноэлектронный транзистор
175,297
Оптоэлектроника ПО
Осаждение из металлоорганиче-
ских «тждинений 255
Основные напрааления инже-
нерной деятельности 13
Основные носители заряда 87
Основные этапы технологии
интегральных
микросхем 118
Основные этапы фотолитогра
фии 126, 127
Особенности обучения в вузе 11
Осцилляции кулоновской
блокады 181
Парадигма (новая
образовательная) 5,9
Перьевая панолитография
(навооисьмо) 272
Планарная технология 113,114
Плотность электронных
(квантовых) состояний 147
Подвижность
носителей зарядов 84
Полевая эмиссия 289
Полевой транзистор на полупро-
водниковой нанотрубке 296
Полуконтактный р'жих
сканирования 261
Полупроводники 82
Полупроводниковая
спинтроника 186
Пороговый ток 111,158
Потенциальная яма 71, 74
Потенциальвый барьер 72
Примесь внедрения
(замещения) 124
Профессиональное
мышление 55
Размерные эффекты 101,
129,143
Разрешающая способность
АСМ 26/
Разрешающая способность
фотолитографии 217,218
Резона вено ту инел ьн ый
диод 161
Резонансно-туннельный эффект
136, 160
Рекомбинация 85,111
Самосборка,
самоорганизация 199
Сверхрешетки 135,145,163
— композиционные 164
— модулщюванно легированные
164,165
— полупроводниковые 163
Светодиоды ПО
Свободные электроны
в кристаллах 144
Синхротронное излучение 233
Сканирующая зондовая микро-
скопия 240
Соединения А,Вб 97
Соотношение неопределенностей
Гейзенберга 64, 67
Спиновый полевой
транзистор 187
Спинтроника 138, 181
Степпер сканеры 220
Структурная и топологическая
схемы ИМС 113
Тепловая генерация носителей
заряда 85
Тепловидение 170
Термическое испарение
вещества в вакууме 126
Тсрмонаиолитография 274
Технология по принципу «снизу
вверх» и «сверху вниз» 31,
32, 39, 40, 196,199
Транзисторы биполярные,
униполярные (полевые) 107,
108. 109
Туннельное магпитосооротивле
мне 185
Туннельно-связанные квантовые
точки 214
Туннельный эффект 73, 77, 78
Уровень Ферми 82,83,86,87.
88,89
Уровни Ландау 153
Фазос двигающая маска 220, 221
Ферромагнитные
полупроводники 138
Фотоприемники 167, 168
Фотопроводимость 93
Фоторезист, фотошаблон 126,
127
Фторирование накотрубок 292
Фуллерены 137
Химическая модификация
нанотрубок 291
Химическое осаждение из пара
283
Хиральность накотрубок 280
Числовая апертуре 218
Электроника 58,60
Электронно дырочный переход
(р п переход) 61,89, 101,
102, 103,104, 105
Электронные свойства вавотру-
бок 285, 286.287
Электропроводность
полупроводников
— дырочная 83
— неравновесная 83,93
— примесная 83. 86
— равновесная 83
— собственная 83
— электронная 83
Элементная база интегральных
микросхем 101
Элементы памяти на магнитных
моментах ядер 188
Элементы памяти на нанотруб
ках 299
Эмиссионные свойства какотру-
бок 289
Энергетический спектр 147
— атома водорода 69, 70
— дискретный 147
— квантоворазмерных объектов
148, 149
— кристалла 78, 79, 80,81
— сплошной, непрерывный 147
Энергия активации донора
(акцептора) 86
Энергия одноалектронной
зарядки 176
Эпитаксиальные структуры
119, 121,122
Эпитаксиальный слой 121
Эпитаксия 122
— газофазная 122
— жидкофазная 122
— молекулярнолучевая
/22.200
ЭУФ-нанолитограф 222
Эффективная масса электрона
(дырки) 92
ЦП
СОДЕРЖАНИЕ
325
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
ЭТАПЫ И ОСНОВЫ
РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ
СОДЕРЖАНИЕ
Список сокращений ................................ 3
Вводсвие.......... 4
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ
ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ
1. Особенности высшего технического образованна....... 8
1.1. Современная система высшего образования и его цели... 8
1.2. Особенности обучения в вузе ................ 11
Вопросы для самоконтроля ................. 12
2. Фундаментальные основы инженерной деятельности.... 13
2.1. Направления инженерной деятельности........... 13
2.2. Практическая деятельность человеки и современное
естествознание .................................... 17
2.3. Естестаенвоваучные основы практической деятельности
человека......................................... 19
2.4. Эволюция Вселенной и ибщиссп.законов природы.. 26
2.5. Деятельность инженера и реальность........... 33
Вопросы для самоконтроля......... 40
3. Фундаментальные основы дисциплин учебного плана... 42
3.1. Особенности государственного
обра;х1ватсльного стандарта по направлению
•Нанотехнология а электронике» ................ 42
3.2. Естественнонаучные дисциплины................. 43
3.3. Обгцепрофессиональвыедисциплины ............. 46
3.4. Специальные дисциплины ...................... 49
3.5. Гуманитарные
и социально-экономические дисциплины________....... 51
3.6. Основные требования
к подготовке современного инженера ............. 54
Вопросы для самоконтроля ................. 56
4. Элементы кваи тоном физики........................ 58
4.1. Связь электроники и квантовой физики .......... 58
4.2. Этапы развития электроники................... 59
4.3. Основные представления квантовой механики...... 63
4.4. Квантовая модель атома ....................... 68
4.5. 11омятие о потенциальных ямах и барьерах....... 71
4.6. Микрочастица в прямоугольной потенциальной яме ... 73
4.7. Туннельный эффект........................... 77
4.8. Энергетический спектр кристалла................ 78
4.9. Собственная электропроводность полупроводников .... 83
4.10. Примесная электропроводность полупроводников... 86
4.11. Эффект компенсации примесных уровней............ 88
4.12. Энергетические эоны на границе дырочного
и электронного полупроводников....................... 89
4.13. Понятие эффективной массы электрона.............. 91
4.14. Иермиовамя электропроводность
собственного полупроводника ........................ 93
4.15. Зависимость электропроводности
полупроводников от температуры ..................... 95
4.16. Полупроводниковые материалы
в твердотельной электронике ....................... 96
Вопросы для самоконтроля .............. 97
5. Полупроводниковые структуры...................... 100
5.1. Роль полупроводниковых структур
в микро- и оптоэлектронике ....................... ИХ)
5.2. Электронно-дырочный переход и его свойства.... 101
5.3. Транзисторы................................. 107
5.4. Элементы оптоэлектроники. Гетеропереходы...... ПО
5.5. Р-п-переход как схемный элемент ИМС............ ИЗ
Вопросы для самоконтроля ................ 116
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
НАУЧНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
6. Прещюсылки перехода от микро- к иамоэлектроиике.... 118
6.1. Вводные замечания ........................... 118
6.2. Основные этапы технологии ИМС................. 118
6.3. Получение полупроводникового материа ла...... 119
6.4. 11олучемиеполупроводниковых пластин ........ 120
6.5. Получение эпитаксиальных структур............ 121
6.6. Методы формирования элементов ИМС .......... 123.
6.7. Литография ................................ 126
6.8. О преемственности этапов развития электрона ки. 128
6.9. Краткий обзор новой научной базы паноолектроиики . 134
Вопросы для самоконтроля ................ 142
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I( Н Е R S О N |
326
HAHCrrEXHWICXItH В ЭЛЕКТРОНИКЕ. ««Axw
СОДЕРЖАНИЕ
327
7. Физические основы иамозлсктровики .............. 143
7.1. Каактопоразмериые эффекты.................... 143
7.2. Простейшие виды низкорвзмерных объектов...... 145
7.2.1. Квантовая яма..... ................... 145
7.2.2. Квантовая нить ....................... 146
7.2.3. Квантовая точка ..................... 146
7.3. Энергетический спектр электронов и плотност»,
электронных состояний в кмзкоразмериых областях .. 147
7.3.1. Важнейшие квантовомеханические
характеристики тел ....................... 147
7.3.2. Энергетический спектр SD-электрояного газа . 148
7.3.3. Энергетический спектр 2D электронного газа . 149
7.3.4. Электронный газ в квантовой нити (ID-газ) ... 151
7.3.5. Электронный газ в квантовой точке (0D-газ) .. 152
7.3.6. 21>электронный газ в магнитном поле... 152
7.3.7. Примеры влияния квамторазмерных
аффектов на свойства вещества................ 154
7.4. Резонансный туннельный аффект............... 159
7.4.1. Резонансное туннелирование ............... 159
7.4.2. Резонансно-туннельный диод............. 161
7.5. Полупроводниковые сверхрешетки.............. 163
7.5.1. Сверхрешетки ........................... 163
7.5.2. Энергетические диаграммы сверхрешеток .... 164
7.5.3. Энергетический спектр электронов
в сверхрешетках ............................. 166
7.5.4. Свойства электронного газа в сверхрешетках . . 167
7.5.5. Устройства на основе сверхрешеток...... 167
7.6. Одноэлектронные устройства................. 174
7.6.1. Одноэлектронкые приборы................ 174
7.6.2. Кулоновская блокада туннелирования ....... 175
7.6.3. Кулоновская блокада в структурах
с двумя туннельными переходами............... 177
7.6.4. Металлический одиозлектронный транзистор . 179
7.7. Некоторые явления и устройства спинтроники... 181
7.7.1. Спинтроника........................... 181
7.7.2. Гигантское магнитосопротивление........ 182
7.7.3. Туннельное магнитосопротивление........ 185
7.7.4. Полупроводниковая спинтроника ........... 186
7.7.5. Спиновый полевой транзистор............ 187
7.7.6. Элементы памяти
на магнитных моментах ядер............... 188
7.8. Некоторые устройства молекулярной электроники ... 188
7.8.1. Макромолекулярная электроника.......... 188
7.8.2. Молекуля|жая электроника (молетроника) ... 190
7.8.3. Молекулы-проводники и молекулы изоляторы 191
7.8.4. Молекулы-диоды ....................... 192
7.8.5. Молекулы-транзисторы ................ 193
7.8.6. Молекулярные элементы памяти........... 194
7.8.7. Молекулярные интегральные микросхемы ... 195
Вопросы для самоконтроля ................ 197
8. Технические средства нанотехнологии ............ 199
8.1. Два подхода к изготовлению структур
в нанотехнологиях .............................. 199
8.2. Эпитаксиальные методы получения наноструктур .... 200
8.2.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия______.... 200
8.2.2. Формирование квантовых точек
|юср>едст1юм самоорганизации П|*< эпитаксии . 210
8.2.3. Перспективы использования массивов
квантовых точек в приборных структурах .... 215
8.3. Нанолитография............................. 216
8.3.1. Общие замечании..................... 216
8.3.2. Оптическая литография (фотолитография) ... 217
8.3.3. Электронно-лучевая литография......... 224
8.3.4. Рентгенолитографил.................... 232
8.8.5. Ионолитография....................... 234
8.3.6. Импринт литография ................... 235
8.4. Эоцдовыенанотехнологии...................... 240
8.4.1. Общие принципы сканирующей
зондовой микроскопии........................ 240
8.4.2. Сканирующий туннельный микроскоп....... 242
8.4.3. Применение СТМ для исследований ...... 248
8.4.4. Нанотехнологии на основе СТМ.......... 252
8.4.5. Сканирующий атомно-силовой микроскоп .... 257
8.4.6. Примеры применения АСМ для диагностики
полупроводниковых структур .............. 265
8.4.7. Нанолитография на основе АСМ ............ 267
8.5. Углеродныенанотрубки ........................ 278
8.5.1. Форма и структура нанотрубок ......... 279
8.5.2. Методы получения нанотрубок.......... 282
8.5.3. Свойства нанотрубок................. 285
8.5.4. Неуглеродные нанотрубки ................. 294
8.5.5. Перспективы применения нанотрубок
в электронике............................. 295
8.6. Формирование квантовых точек и проволок ..... 303
8.7. Контакты к отдельным молекулам............... 305
8.8. Линейная мера для измерений с помощью
электронных и атомно-силовых микроскопов ........ 310
8.8.1. Назначение линейных мер.............. 310
8.8.2. Линейная мера МШПС-2.0 К.............. 311
8.8.3. Аттестация меры МШПС-2.0 К............ 313
Вопросы для самоконтроля............... 314
Заключение ......................................... 316
Литература.......................................... 319
Предметный указатель................................ 320
Владимир Николаевич ЛОЗОВСКИЙ.
| Голимо Серафимовна КОНСТАНТИНОВА^
СергейВ.юдилирмич ЛОЗОВСКИЙ
НАНОТЕХНОЛОГИЯ
В ЭЛЕКТРОНИКЕ
ВВЕДЕНИЕ
В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ
Учебное пособие
Издяпме второе,
xoifmn.wHW
Генеральный директор А. Л. Кноп
Директор иадательстпа О. В. Смирнова
Художественный редактор С. Ю. Малахов
Редактор И. Л. Лновская
Технический редактор Н. В. Лояовекал
Корректор А. К. Райхчин
Подготовка иллюстраций В. В Воскресенская
Выпускающие Н. К. Белякова. О. В. Шилкова
ЯР К 065466 от 21.10.97
Гигиенический сертификат 78.01.07.953.11.004173.04.07
от 26.04.2007 |., выдав ЦГСЭП в СПб
Издательство «ЛАНЬ»
1ап@>1рЫдрЬ.ги
www.lanbook.coTn
192029, Санкт-Петербург, Обществепныб пер., 5.
Тел./факс: (812)567-29-35. 5674)5-97. 667-92 72;
Сдаво в набор 16.01.08. Подпасаво в печать 20.04.06.
Бумага офсетная. Гарнитуре Школьная, формат 84x108
Печать офсетная. Уел. о. я. 17.64. Тираж 2000 вка.
Заказ М 2787.
Отпечатало в ПОЛКОМ соответствии с качеством
прелоставлнгаых матепаажж а ОАО «Дом печати — ПЯТКА.
6100.73. г. Киров, ул Мое коек кал. 122
Издательство WR.
«ЛАНЬ» лднь(
КНИГИ ИЗДАТЕЛЬСТВА «ЛАНЬ»
МОЖНО ПРИОБРЕСТИ
В ОПТОВЫХ КНИГОТОРГОВЫХ
ОРГАНИЗАЦИЯХ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
ООО « Лонь-Т рейд»
192029, Санкт-Петербург, ул. Крупской, 13,
гал./ф<жс (812)567-54-93,
тел: (812)567-85-78, (812)567-14-45,
567-85-82,567-85-91;
trode@lanpbl. spb.ru
wwwJanpbl.ipb.ru/price.hlm
МОСКВА
ООО «Лань-Пресс»
109263, Москва, 7-я ул Текстильщиков, 6/19,
тел: (495) 178-65-85; 740-43-16;
Ianpress@ukenane4.ru; lanpress@yandex.ru
КРАСНОДАР
ООО «Лань-Ют»
350072, Краснодар, ул. Жлобы, 1 /1,
тел: (861)274-10-35;
Iankrd98@masl.ru
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
Издательство JR.
«ЛАНЬ» лань®
Издательство WR
«ЛАНЬ» лань®
ПРЕДЛАГАЕТ
УЧЕБНУЮ ЛИТЕРАТУРУ
ДЛЯ ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ
ПО НАПРАВЛЕНИЯМ
МАТЕМАТИКА
ФИЗИКА
Приглашаем к сотрудничеству
авторов и издательство
Ружопки кв ркиммруютса
к не еомращаютсв
КНИГА-ПОЧТОЙ
УВАЖАЕМЫЕ ЧИТАТЕЛИ!
ВЫ МОЖЕТЕ ПРИОБРЕСТИ КНИГИ
НАШЕГО ИЗДАТЕЛЬСТВА,
ОТПРАВИВ ПОЧТОВУЮ КАРТОЧКУ С ЗАКАЗОМ
ПО АДРЕСУ:
192029, САНКТ-ПЕТЕРБУРГ, ул. КРУПСКОЙ, 13
ОТДЕЛ «КНИГА - ПОЧТОЙ »
Образец ваполмвммв почтовой корточки
ПОЧТОВАЯ КАРТОЧКА
Куда 192029, Саню-Гктьрбург.
уя. Крупской. 13
о»д «Книга — почтой»
НАШИ АДРЕСА И ТЕЛЕФОНЫ
Издательский отдел
РФ, 192029, Санкт-Петербург,
Общественный пер., 5.
(812) 567-29-35, 567-05-97, 567-92-72
Адрес отправит ami:
198216, Сонкт-Латербург,
Лвммисхмй проспект, д, 5, кв. 40
Елескому Юрию Михайловичу
ЭЛЕКТРОННЫЕ АДРЕСА
www lonbooL сот,
www.lonpblipb.ru/pnce.hlnv
Е-тоЯ: 1оп@1рЫ. ipbrv
ВЫ МОЖЕТ ОФСГМИТЬ ЗАКАЗ с помощью электронной почты
E-MAJL POSieLPSLSFB JtV *
СПРАВКИ ПО ТЕЛЕФОНАМ:
(812)567-54-93; (812)567-85-78; (812)567-14-45
Издательство WR»
«ЛАНЬ» лж
I
Издательство S4
«ЛАНЬ» лань;
ПРЕДСТАВЛЯЕМ
НОВЫЕ УЧЕБНИКИ И УЧЕБНЫЕ ПОСОБИЯ
Л А кслвдое
технология
И КОНСТРУКЦИИ МИКРОСХЕМ,
МИКРОГБЮЦЕССОРОв
И МИКРОСБОРОК
УЧЕНОЕ ПОСОБИЕ
В учебном пособим изложены сведения о конст-
рукторско-технологических вариантах исполнения
элементов и компонентов микросхем, микропро-
цессоров и микросборок Дано детальное описа-
ние тохнологических маршрутов их производства.
Особое внимание уделено вопросам анализа и син-
теза технологических маршрутов, обеспечению
качества изделий микроэлектроники и эффектив-
ности их производства. Представлены и проанали-
зированы с точки зрения их использования в мик-
рсалектронной аппаратуре распространенные кон-
струкции изделий микроэлектроники.
Учебное пособие предназначено для студентов
технических вузов и университетов, обучающих-
ся по специальностям, связанным с конструирова-
нием и производством радиоэлектронной аппа-
ратуры.
ПРЕДСТАВЛЯЕМ
НОВЫЕ УЧЕБНИКИ И УЧЕБНЫЕ ПОСОБИЯ
А Д СУШКОВ
ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ основы
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
В книге излагаются физико-технические осно-
вы вакуумной электроники, составляющие ее на-
учный базис и определяющие с единых позиций
принципы действия вакуумных электронных при-
боров и устройств различного назначения. Книга
предназначена в качестве учебного пособия для
студентов высших учебных заведений, обучаю-
щихся по «электронным» инженерным специаль-
ностям, закрепленным за направлением подготов-
ки дипломированных специалистов, бакалавров
и магистров «Электроника и микроэлектроника».
Книга может быть также полезна инженерно-
техническим работникам, специализирующимся
в области исследования, проектирования и конст-
руирования современных приборов и устройств
вакуумной электроники
Отредактировал и опубликовал на сайте: Р R Е S S I ( Н Е R S О N |
Издательство
« ЛАНЬ» ланб
Издательство WR*
«ЛАНЬ» лань(
ПРЕДСТАВЛЯЕМ
НОВЫЕ УЧЕБНИКИ И УЧЕБНЫЕ ПОСОБИЯ
А. Д ГРИГОРЬЕВ
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
И МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА
УЧЕБНИК ДЛЯ ВУЗОВ
В учебнике излагаются основы классической
электродинамики, рассматриваются распростра-
нение электромагнитных волн микроволнового
диапазона в различных средах, линиях передачи,
резонаторах, многоплечих устройствах, теория
возбуждения резонаторов и линий передачи, раз-
личные неоднородности в них. Описываются ос-
новные методы комгьютерного моделирования
микроволновых электромагнитных полей. Изла-
гается теория микроволновых цепей. Рассматри-
ваются основные типы линейных микроволновых
устройств
ПРЕДСТАВЛЯЕМ
НОВЫЕ УЧЕБНИКИ И УЧЕБНЫЕ ПОСОБИЯ
И. Е ЕФИМОВ. И. Я. КОЗЫРЬ
ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
В учебном пособии изложены основные на-
правления развития микроэлектроники: рассмот-
рены физические основы, конструкция, техноло-
гия, структурные элементы и аспекты проектиро-
вания интегральных микросхем (ИМС) и больших
интегральных схем (БИС). Рассмотрены отдельные
технологические процессы, схемотехнические ре-
шения, машинные методы проектирования и изго-
товления изделий микроэлектроники.
Учебное пособив предназначено для студентов
технических вузов и университетов, изучающих
микроэлектронику.
Издательство М.
«ЛАНЬ» лань
ПРЕДСТАВЛЯЕМ
НОВЫЕ УЧЕБНИКИ И УЧЕБНЫЕ ПОСОБИЯ
В В ПАСЫНКОВ, Л К ЧИРКИН
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ПРИБОРЫ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
В книге рассмотрены физические процессы в
полупроводниковых приборах и элементах инте-
гральных микросхем, их основные свойства, ха-
рактеристики и параметры, конструктивно-техно-
логические особенности полупроводниковых
приборов в интегральном исполнении и общие
принципы микроэлектроники.
Книга предназначена для студентов, обуча-
ющихся по образовательным программам подго-
товки бакалавров, магистров и дипломированных
специалистов по направлению «Электроника и
микроэлектроника».
Отредактировал и опубликовал на сайте :PRESSI(HERSON |