Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике

В. Н. ЛОЗОВСКИЙ,Г. С. КОНСТАНТИНОВА,С. В. ЛОЗОВСКИЙНАНОТЕХНОЛОГИЯВ ЭЛЕКТРОНИКЕВВЕДЕНИЕВ СПЕЦИАЛЬНОСТЬРЕКОМЕНДОВАНОУчебнометодическим объединениемвузов Российской Федерации по образованиюв области радиотехники, электроники,биомедицинской техники и автоматизациив качестве учебного пособиядля студентов высших учебных заведений,обучающихся по специальности210601 — «Нанотехнологияв электронике»САНКТПЕТЕРБУРГ•МОСКВА•КРАСНОДАР2008ББК 32.85Л 72Л 72Лозовский В. Н., Константинова Г. С. , Лозовский С. В.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 9785811408276Учебное пособие составлено в соответствии с Государствен"ным образовательным стандартом (ГОСом) по специальности выс"шего профессионального образования «Нанотехнология в элек"тронике». В нем рассматривается система современного высшеготехнического 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 теоретическиеосновы и особенности наноэлектроники, отражены особенностиинструментального и технологического обеспечения ее развития.Рассматриваются достижения нанотехнологии в электронике,перспективы и тенденции ее дальнейшего развития.Пособие предназначено для студентов вузов, обучающихсяпо специальности «Нанотехнология в электронике».ББК 32.85Рецензент: д.

ф."м. н., проф. Л. С. ЛУНИН, кафедра общей и при"кладной физики Южно"Российского государственного техниче"ского университета (Новочеркасский политехнический институт)ОбложкаА. Ю. ЛАПШИНОхраняется законом РФ об авторском праве.Воспроизведение всей книги или любой ее частизапрещается без письменного разрешения издателя.Любые попытки нарушения законабудут преследоваться в судебном порядке.© Издательство «Лань», 2008© В. Н. Лозовский,Г.

С. Константинова,С. В. Лозовский, 2008© Издательство «Лань»,художественное оформление, 2008СПИСОКСОКРАЩЕНИЙАСМ —ВАХ —ВЗ (ЗП) —ВОЛС —ГМС —ДГС —ГФЭ —DRAM —ЕД —ЖФЭ —ИК —ИМС —ИП —КМОП —МДП —МЛЭ —МОП —МОС —MRAM —ОПД —СБИС —СВЧ —СД —СЗМ —СТМ —СЭМ —CVD —ТМС —ЭЛЛ —ЭУФ —атомносиловой микроскоп (или микроскопия)вольтамперная характеристикавалентная зона (зона проводимости)волоконнооптическая линия связигигантское магнитосопротивлениедвойная гетероструктурагазофазная эпитаксиявид динамической оперативной памяти (DynamicRandom Access Memory)естественнонаучные дисциплиныжидкофазная эпитаксияинфракрасныйинтегральная микросхемаизоляция с помощью рппереходакомплементарная структураструктура металл–диэлектрик–проводникмолекулярнолучевая эпитаксияструктура металл–окисел–полупроводникметаллоорганические соединениямагнитная память с произвольной выборкой(Magnetic Random Access Memory)общепрофессиональные дисциплинысверхбольшая интегральная схемасверхвысокие частотыспециальные дисциплинысканирующий зондовый микроскоп (микроскопия)сканирующий туннельный микроскоп (микроскопия)сканирующий электронный микроскоп (микроскопия)метод химического осаждения из пара (ChemicalVaper Deposition)туннельное магнитосопротивлениеэлектроннолучевая литографияэкстремально дальний ультрафиолетВВЕДЕНИЕНанотехнология — совокупность методов изготовления иобработки изделий, имеющих протяженность 1–100 нм(хотя бы в одном измерении).

Напомним, что 1 нм == 10–9 м = 10–3 мкм = 10 Å. Атом имеет размер порядка0,1 нм, неорганические молекулы ~1 нм, вирусы — от 10до 500 нм; минимальный размер элементов современныхинтегральных 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 выделяютмиллиарды долларов на 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 вдипломированных 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, ихчисло удваивается каждые два года. Широким фронтоми со все возрастающей государственной поддержкой про#водятся исследования и разработки в области нанотех#нологий и в нашей стране.

В 2007 г. президентом РоссииВВЕДЕНИЕ5утверждена стратегия развития отечественной наноиндустрии. На разработки в этой области выделено более180 млрд рублей.Целью курса «Нанотехнология в электронике. Введение в специальность» является ознакомление студентов ссовременной системой высшего технического образования, его основными задачами, организационными и методическими особенностями обучения в вузе, с документами, которые регламентируют учебу студентов, а также сфундаментальными, общетехническими и профессиональными основами выбранной специальности, со спецификойбудущей работы выпускника, с перспективами его трудоустройства.Курс содержит три части.

Первая часть посвящаетсяфундаментальному и гуманитарному аспектам инженерной подготовки, без которых невозможно сформироватьширокообразованного, системно мыслящего, ориентированного на многоаспектную творческую деятельностьспециалиста, способного с максимальной эффективностью функционировать в современном обществе. Такойподход соответствует новой образовательной парадигме,1национальной доктрине образования в Российской Федерации и макропеременам в современном высшем образовании, связанным с переходом к экономике, основанной на знаниях.Во второй части пособия рассматриваются основыразвития электроники, обсуждается и дополняется информация, полученная студентами в курсах физики ихимии средней школы и позволяющая осмыслить этиосновы.Третья часть посвящена научным и технологическимаспектам наноэлектроники, путям и перспективам ее развития.

Показывается, что нанотехнология в электронике — это одно из наиболее быстро развивающихся направлений нанотехнологии.1 Парадигма — система основополагающих взглядов, общепринятаяв какойлибо области деятельности (например, в науке, образованиии т. д.) и устойчиво существующая в течение некоторого исторического периода.6НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьУчебное пособие составлено на основе опыта чтениялекций по курсу «Введение в специальность» для сту&дентов, обучающихся по специальности «Нанотехноло&гия в электронике», преподавателями кафедры «Общаяи прикладная физика» Южно&Российского государст&венного технического университета (Новочеркасскийполитехнический институт).Авторы благодарны сотрудникам кафедры и ее заве&дующему профессору Л.

С. Лунину за конструктивнуюподдержку при написании этой книги, а также сотруд&никам С. Н. Чеботареву, О. В. Сиуковой и Г. А. Еримеевуза помощь в оформлении иллюстративного материала.ЧАСТЬ ПЕРВАЯФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕОСНОВЫИНЖЕНЕРНОЙПОДГОТОВКИ•1•ОСОБЕННОСТИВЫСШЕГОТЕХНИЧЕСКОГООБРАЗОВАНИЯ1.1.СОВРЕМЕННАЯ СИСТЕМАВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯИ ЕГО ЦЕЛИСовременная система высшего образования страны включает около 1000 высших учебных заведений, из них более 500 —государственные. По статусу вузы делятся на классическиеуниверситеты, технические университеты, академии и институты. По профилю — на многопрофильные и узкопрофильные, например сельскохозяйственные, медицинские и т.

д.Мощную и дорогостоящую систему образования страна содержать бы не стала, если бы эта система не обеспечивала решение важнейших государственных задач:· повышение безопасности страны (в самом широкомсмысле);· подготовку специалистов для всех направлений экономики;· повышение интеллектуального уровня населения.Безопасность любой страны обеспечивается в основномуровнем образованности населения. Так было во все времена; особенно это важно в условиях ускоренного развитиянаукоемких производств, наукоемких видов техники и вооружения.

Великий китайский мыслитель Конфуций около 2500 лет назад назвал образованность населения однимиз условий преуспевания государства. Правительство СШАнеизменно обосновывает все мероприятия по развитию иулучшению системы образования интересами безопасностистраны. В последних документах правительства Российской Федерации, направленных на совершенствование системы образования, необходимость его модернизации также связывается с безопасностью страны.Часть 1.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ9В соответствии с новой образовательной парадигмой увысшего технического образования две основные задачи:· подготовка высококвалифицированного специалиста,обладающего профессиональными компетенциями;1· формирование широкообразованной личности и общихзнаниевых компетенций.Первая задача — более узкая и простая; она не одина7кова для всех (у каждого своя специальность) и не предпо7лагает выполнения в течение всей жизни (многие специа7листы вынуждены неоднократно менять свою специаль7ность). Вторая задача универсальна, т.

е. одинакова длявсех, и ее значимость не меняется в течение профессио7нальной деятельности специалиста. Без решения второйзадачи полноценно решить первую невозможно. Одно изважнейших требований к широкообразованной лично7сти — это творческое системное мышление и способностьобеспечивать в условиях научно7технического прогрессаустойчивое существование человечества на Земле. Каче7ства широкообразованной личности и общие компетенцииможно приобрести, лишь глубоко освоив фундаменталь7ные и гуманитарные основы выбранной специальности.Гуманитарные и фундаментальные знания сосредоточеныв блоках социогуманитарных (см. блок I на рис.

1.1) и ес7тественнонаучных (блок II) дисциплин соответственно.Эти дисциплины изучаются на первых курсах.Современная экономика стала знаниевой. Фундамен7тальные знания превратились в наиболее эффективнуюдвижущую силу производства. Фундаментальные знаниясоздаются фундаментальными науками, т. е. науками,посвященными исследованию природы. К таким наукамотносятся: физика, химия, биология, математика, информатика и некоторые другие. Инженерные теории, какправило, представляют собой модифицированные вариан7ты теорий фундаментальных наук. Модификация состо7ит в том, что фрагменты общенаучных теорий, имеющие1 Компетенция — совокупность взаимосвязанных качеств человека,позволяющих ему эффективно выполнять свои профессиональные обя7занности (профессиональная компетенция), успешно ориентироватьсяв жизненных и служебных ситуациях (общие компетенции).10НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ.