Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Государственный Технический Университет имени Н. Э. Баумана

ФАКУЛЬТЕТ: Машиностроительные Технологии

КАФЕДРА: “Электронные технологии в

машиностроение”

Реферативная работа

по курсу «Основы наноэлектроники и нанотехнологий»

На тему: «Проблемы современной наноэлектроники»

Студент

Габидуллин А.Р.

Группы МТ11-82

Преподаватель

Сидорова С.В.

Москва 2015г

Реферат

Проблемы современной наноэлектроники

Отчет 12, 4 рисунка, 1 таблица.

Ключевые слова:

НАНОЭЛЕКТРОНИКА, тонкие плёнки, нанометровый, многослойная структура, размерный эффект.

Цель работы – знакомство с выбранной тематикой работы, анализ и обобщение материала из источников.

В процессе работы были рассмотрены и анализированы основные проблемы, возникающие при переходе электроники на наномасштабный уровень.

Работа выполнена по ГОСТ 7.32-2001

Оглавление

Введение 4

1 Роль поверхности в создании устройств наноэлектроники 5

2 Технология тонких плёнок и многослойных структур 6

3 Микроволны и их природа 9

Заключение 12

Введение

В своей технологической деятельности человечество до настоящего времени использует материалы данные изначально, либо созданные искусственно, но создание их ограничено молекулярным уровнем. Нанотехнологии претендуют на новый уровень создания материалов и устройств, оперируя во многих случаях отдельными атомами.

Наибольший интерес в нанометровом диапазоне вызывает его нижняя граница от 100 нм и ниже вплоть до атомного уровня (0,2 нм), поскольку в этом диапазоне свойства веществ могут значительно отличаться от их свойств в макрообразцах [1, с. 3-4].

Поскольку потенциальные возможности традиционной микроэлектроники исчерпали себя, дальнейшее развитие возможно только на базе принципиально новых физических и технологических идей. Для их правильного восприятия и понимания нужны знания о новейших технологических достижениях в области конструирования на атомном уровне твердотельных поверхностных и многослойных структур с необходимыми свойствами [2, с. 7].

Однако при переходе на нанометровые технологии возникает ряд задач, отличающихся от проблем на микроуровне своей постановкой и путями решения. Таким образом, разрешение возникших вопросов может открыть новые области применения в электронике, машиностроении, оптике, медицине и многих других областях.

1 Роль поверхности в создании устройств наноэлектроники

Поверхность служит местом взаимодействия с твердым телом различных фаз (газ, жидкость, твердая фаза), что определяет возникновение многих так называемых поверхностных явлений. Наиболее существенные из них – сцепление (когезия), прилипание (адгезия), смачивание, трение, скол (разрушение твердого тела), образование и развитие зародышей новой фазы при осаждении вещества на подложку, адсорбция (прилипание чужеродных атомов или молекул к поверхности из газообразной или жидкой фазы), хемосорбция (адсорбция с последующей химической реакцией и образованием устойчивого слоя нового химического соединения).

Особенности атомного и электронного состояния поверхности обусловливают появление характерных мод фундаментальных зонных квазичастиц, иначе говоря, поведение поверхностных электронов, электронно-дырочных пар (в том числе экситонов) и атомных колебательных процессов будет существенно отличаться от таковых в объеме.

Когда речь идёт о поверхности, обычно рассматривают поверхностный потенциал - параметр, характеризующий изгиб зон в полупроводнике на поверхности раздела «полупроводник – окисел»

Рисунок 1.1 – Схематичное изображение структуры ”Металл-диэлектрик-полупроводник” с двухслойным диэлектриком (а) и ее энергетическая зонная диаграмма (б)

Методы определения поверхностного потенциала основаны на измерении ряда параметров поверхности, таких как поверхностная проводимость, поверхностная емкость и др. Существуют таблицы и номограммы, по которым можно построить зависимость поверхностной проводимости от поверхностного потенциала для полупроводников. Поверхностная проводимость является достаточно сложной функцией поверхностного потенциала и степени легирования полупроводника [1, c. 8-9].

2 Технология тонких плёнок и многослойных структур

Различают два основных подхода, позволяющих формировать наноструктуры. Это – технологии, реализующие принцип “сверху-вниз”, и технологии, построенные на принципе “снизу-вверх”. Принцип “сверху-вниз” (top-down approach) предполагает создание структур с требуемыми размерами и конфигурацией путём избирательного удаления материала, заранее нанесённого на подложку. Для этого используются традиционные для микроэлектроники методы осаждения плёнок и формирования легированных слоёв полупроводников в сочетании с литографическим созданием на профилируемой поверхности маски и последующего удаления материала в окнах маски путём травления. Наглядной аналогией технологии “сверху-вниз” является создание скульптуры из монолитной каменной глыбы путём отсечения “лишнего” материала.

Альтернативный принцип “снизу-вверх” (bottom-up approach) предполагает формирование требуемых структур путём селективного осаждения атомов и молекул на заданные участки и поверхности подложки. Так же поступает художник, нанося те или иные краски на определённые участки поверхности холста [3, c. 66-67].

Традиционные методы формирования плёнок

• Химическое осаждение из газовой фазы (chemical vapor deposition)

• Молекулярно-лучевая эпитаксия (molecular beam epitaxy)

• Электрохимическое осаждение металлов и полупроводников (electrochemical deposition electroplating)

• Электрохимическое оксидирование металлов и полупроводников (electrochemical oxidation)

Классическим методом получения чистых поверхностей многих материалов является испарение и конденсация в сверхвысоком вакууме. В частности, для получения высококачественных тонких плёнок и многослойных структур чаще всего используют механизм эпитаксиального роста материала плёнки на соответствующей монокристаллической подложке. Наибольшее распространение получил метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) или метод молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), позволяющий формировать совершенные монокристаллические слои различных материалов в условиях сверхвысокого вакуума. На рисунке 2.1 изображена типичная схема реализации данного метода.

Рисунок 2.1 – Схема метода МПЭ

Вопросы, связанные с механизмами роста, становятся чрезвычайно важными при создании гетероструктур и многослойных структур, от которых требуется высшая степень однородности состава при толщине менее 100 Å. Наиболее важные индивидуальные атомные процессы, сопровождающие эпитаксиальный рост, следующие:

• адсорбция составляющих атомов или молекул на поверхности подложки;

• поверхностная миграция атомов и диссоциация адсорбированных молекул;

• присоединение атомов к кристаллической решетке подложки или эпитаксиальным слоям, выращенным ранее;

• термическая десорбция атомов или молекул, не внедренных в кристаллическую решетку.

Схематически вышеперечисленные атомные процессы изображены на рисунке 2.2. На этом рисунке разделены кристаллические участки эпитаксиального слоя и поверхности подложки, с которыми взаимодействуют поступающие на поверхность компоненты падающего пучка. Каждый участок поверхности характеризуется индивидуальной химической активностью. Таким образом, можно выделить три важнейших механизма роста, показанных на рисунке 2.3: послойный рост, островковый рост и рост слоя с островками.

1. Послойный рост (layer-by-layer growth). При этом механизме роста каждый последующий слой пленки начинает формироваться только после полного завершения роста предыдущего слоя. Этот механизм роста называют также ростом Франка ван дер Мерве (Frank van der Merve, FM). Послойный рост имеет место, когда взаимодействие между подложкой и слоем атомов значительно больше, чем между ближайшими атомами в слое.

2. Островковый рост, или рост Вольмера – Вебера (island growth, Vollmer-Weber, VW). Этот механизм является полной противоположностью послойному росту. Условием его реализации является преобладание взаимодействия между ближайшими атомами над взаимодействием этих атомов с подложкой. При островковом механизме роста вещество с самого начала оседает на поверхности в виде многослойных конгломератов атомов.

3. Промежуточным между этими двумя механизмами является рост Странски – Крастанова (Stransky – Krastanov, SK, layer-plus-islandgrows), при котором первый слой полностью покрывает поверхность подложки, а на нем происходит рост трехмерных островков пленки. К этому механизму могут приводить многие факторы, в частности, достаточно большое несоответствие между параметрами кристаллических решеток пленки и подложки [1, c. 91-93].

3 Микроволны и их природа

В мировой практике микроволновыми называются электронные приборы, работающие в диапазоне длин волн менее 1 м или частот более 300 МГц. В общем спектре частот, применяемых в радиоэлектронике, указанных в таблице 3.1, микроволновый диапазон охватывает дециметровый (10–1 дм), сантиметровый (10–1 см), миллиметровый (10–1 мм) и субмиллиметровый (1–0,1 мм) под- диапазоны. Им соответствуют ультравысокие (300–3 000 МГц), сверхвысокие (3–30 ГГц), крайне высокие (30–300 ГГц) и гипервысокие (300–3 000 ГГц) частоты.

Физическая природа микроволнового излучения такая же, как у света или радиоволн. Отличие только в частоте, с которой происходят электромагнитные колебания, или в длине волны, что то же самое, поскольку последняя связана с частотой соотношением

λ = с/f ,

где λ – длина волны; с – скорость распространения волны; f – частота

Частота, с которой происходят колебания электромагнитного поля, в значительной степени влияет на его внешние свойства. Однако свойства явлений могут различаться. Причина заключается в соизмеримости длины волны с различными физическими объектами. Например, свет или рентгеновское излучение легко проходят через кристалл, у которого расстояние между атомами меньше длины волны и, наоборот, длинноволновое излучение не сможет проникнуть, допустим, в металлическую трубу даже очень большого диаметра.

Таблица 3.1 – Частотные диапазоны в современной радиоэлектронике [2, c. 158]

Однако в СВЧ-диапазоне применение этих законов в чистом виде, как правило, невозможно. Ранее отмечалось, что радиоволны и видимый свет имеют одну и ту же физическую природу. Однако никому не придет в голову измерять яркость солнечного света в вольтах или амперах. В свою очередь, законы оптики трудно использовать при конструировании электрического чайника.

Уже давно ученые пытаются вывести единую теорию поля, объединяющую все известные виды взаимодействий: гравитационное (описывающее силы притяжения), электромагнитное, сильное и слабое (последние проявляются на уровне атомного ядра). Возникает вопрос, зачем вообще использовать большое количество частных законов, не проще ли пользоваться одним универсальным? Но проблема в том, что чем более общий характер носит тот или иной закон природы, тем сложнее его практическое использование.