Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике, страница 53

е. того же уровня,что и в современных полевыхтранзисторах на кремнии. Зна$чительное улучшение харак$Рис. 8.57теристик дает использованиеСхема поперечногосечения транзисторав качестве подзатворного ди$на нанотрубкеэлектрика ZrO2 (диэлектриче$ская проницаемость e ~ 25). Подача напряжения на затворизменяет проводимость нанотрубки в 105–106 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 нананотрубках в несколько раз больше, чем для кремние$вых. Быстродействие прибора зависит также от его про$водимости; проводимость транзисторов на углеродныхнанотрубках более чем вдвое превосходит проводимостькремниевых транзисторов того же размера.Одноэлектронный транзистор.

Пример одноэлек$тронного транзистора на индивидуальной однослойной298НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьабвгРис. 8.58АСМизображение стадийформирования одноэлектронного транзисторана нанотрубке (а, б, в);увеличенное изображениеобласти острова (г)нанотрубке с металлической проводимостью показан нарис. 8.58. Прибор работает при комнатной температуре.С помощью зонда АСМ на нанотрубке создавались дваизгиба (рис. 8.58г), они действовали как туннельные барь/еры.

Отрезок трубки длиной 25 нм между двумя изгибамииграет 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 кулоновскойблокады 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/Часть 3.

ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ299сторы (КМОП), в которых соединяются МОПтранзисторы с n и pканалами.На рис. 8.59 показана схема комплементарного транзистора, выполненного на одной нанотрубке. На кремниевую подложку, покрытуюслоем SiO2 (толщиной порядРис. 8.59ка нескольких нанометров),Схема комплементарногонанесены три золотых электранзистора на нанотрубкетрода 1, 2, 3.

На электродахрасположена нанотрубка 4 с раздельными областями p иnтипа; nобласть получена напылением металладонора при закрытой левой половине нанотрубки. Таким образом, на одной нанотрубке объединены p и nполевыетранзисторы. Электрод 2 — общий сток, электроды 1 и 3 —истоки для p и nобластей, общим затвором служит пластина кремния. Так как на контактах трубок с металлическими электродами возникают барьеры Шоттки, то ртранзистор оказывается открытым, когда на затворе «–», аптранзистор открыт, когда на затворе «+». Разрабатываются структуры, для которых возможна интеграция на одном чипе многих полевых транзисторов на нанотрубках.Элементы памяти.

Рассмотрим две возможности изготовления элемента памяти с использованием нанотрубки.Первая возможность. Элемент представляет собой закрытуюнанотрубку (10,10) диаметром 1,4 нм, внутри которой находится молекула металлофуллерена. Под действием электрического тока эта молекула может перемещаться в одну сторону (бит 0) или в другую (бит 1), причем для ее перемещения требуется времени в 10 раз меньше, чем у обычныхпереключателей.Вторая возможность пояснена с помощью рис.

8.60. Нарисунке приведена схема варианта «алмазной» памяти спредельно малым носителем бита информации — одниматомом. Зонд АСМ (нанотрубка (9,0) или (5,5)) заканчивается полусферой С60, к которой крепится молекула пиридина (C5H5N). Алмазная поверхность покрывается монослоем300НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьРис. 8.60Схема элемента «алмазной» памятиатомов водорода, некоторые из которых замещаются ато"мами фтора.Согласно квантовым моделям, молекула C5H5N присканировании вдоль поверхности способна отличить посиле взаимодействия атом фтора от атома водорода. Так какна одном квадратном сантиметре поверхности помещается~1015 атомов, то плотность записи может достигать 100 те"рабайт/см2 (плотность записи в DVD"дисках — 10–4 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 вкачестве холодных эмиттеров электронов отмечены в пре"дыдущем разделе.

Схема дисплея показана на рис. 8.61.Катод покрыт слоем нанотрубок, ориентированных внаправлении анода. На аноде расположен люминофор.Если на электроды подано напряжение соответствующейполярности, то нанотрубки заряжаются отрицательно,линии электрического поля искривляются и сгущаются уих концов, напряженность электрического поля вблизинанотрубки становится огромной, происходит вырываниеэлектронов с кончика нанотрубки.301Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИВнешнее поле формируетпучок электронов. Попадая наанод, электроны вызываютсвечение люминофора.

На'пример, ZnS с добавками медии алюминия дает зеленое све'чение, с добавками серебра —синее. Красный цвет получаютна оксиде иттрия, легирован'ного атомами европия (Еu).Дисплеи на нанотрубкахлегче и тоньше плазменныхили жидкокристаллическихпанелей, имеют лучшее раз'решение, контрастность ицветопередачу. Дисплей нананотрубках должен бытьболее экономичным: средняяплазменная модель потреб'ляет ~500 Вт, а дисплей на уг'леродных нанотрубках тогоже размера ~100 Вт.

Вместес тем ТВ'дисплей на углерод'ных нанотрубках будет де'шевле плазменных и жид'кокристаллических.Наномеханические системы. Согласно теоретическимрасчетам, молекулы бензоламогут связываться с поверхно'стью углеродной нанотрубки,а нанотрубки с присоединен'ными молекулами бензоламожно использовать в моле'кулярных зубчатых переда'чах. Примеры потенциальновозможных наноразмерныхмеханических передач при'ведены на рис. 8.62.Рис. 8.61Схема дисплея, работающегона автоэлектронной эмиссиииз нанотрубокабРис.

8.62Молекулярные зубчатыепередачи на углеродныхнантрубках:а — молекулярные шестерни, вкоторых зубцами являются мо'лекулы бензола; б — вал и шес'терня.302НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьНа рис. 8.62 изображены валы в виде углеродных на!нотрубок; зубцами являются молекулы бензола. Зубцы(см.

рис. 8.62а) передают вращающий момент от ведущейшестерни к ведомой; диаметр каждой шестерни составляет1,1 нм, хиральность — (14,0). Передача (см. рис. 8.62б) пре!образует вращательное 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 диаметрананотрубки помещаются два свободных заряда +q и –q, на!пример с помощью подходящих функциональных групп(см. п.

8.5.3). У такой нанотрубки есть собственная частотаколебаний вокруг своей оси в плоскости, перпендикуляр!ной оси. При частоте колебаний по´ля лазера, приблизитель!но равной частоте собственных колебаний шестерни, и над!лежащем выборе сдвига фаз возникает однонаправленноевращение шестерни. Передача, показанная на рис. 8.62а,может работать в вакууме с частотой до ~100 ГГц.Расчеты показывают, что есть принципиальная воз!можность создания устройств «вал с муфтой» и «нанопор!шень». В первом случае внутренняя трубка двухслойнойнанотрубки вращается внутри внешней практически безтрения.

Во втором случае группа внутренних трубок мно!гослойной нанотрубки скользит вперед и назад внутривнешних трубок с очень малым трением, что требуется длямеханических частей наномеханизмов. Если «поршень»вытащить и отпустить, он станет втягиваться внутрь поддействием сил Ван!дер!Ваальса, и возникнут собственныеколебания «поршня» с частотой ~109 Гц (величина быст!родействия современных процессоров).Нанопоршни, валы, подшипники и зубчатые переда!чи могут стать важными составными частями будущихнаномеханических 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 вбольшинстве случаев предполагается получить впечат!ляющий эффект.303Часть 3.

ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ8.6.ФОРМИРОВАНИЕКВАНТОВЫХ ТОЧЕК И ПРОВОЛОКВ разделе 8.2.2 был рассмотрен метод формированияквантовых точек в виде упорядоченных массивов на эпи&таксиально растущих поверхностях. Однако для одноэлек&тронных устройств (транзисторов, элементов памяти идругих) нужны одиночные квантовые точки. Квантовыепроволоки необходимы для некоторых оптоэлектронныхструктур (например, лазерных). В полупроводниковыхматериалах квантовые проволоки и точки вырезаются изструктур с квантовыми ямами.

Для этой цели прямо иликосвенно 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 методомпространственного 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. Производитсяглубинное травление верхней части композиции — уда&ляется весь слой AlGaAs и частично GaAs (рис. 8.63б).Электроны 2D&газа оказываются запертыми в образовав&шихся цилиндрах. Аналогичным образом из квантовойабРис. 8.63Схема метода формирования квантовых точек посредством вырезания цилиндрических областей в структурегетероперехода GaAs–AlGaAs с квантовой ямой:а — композиция GaAs–AlGaAs после нанесения резиста,экспонирования и проявления резиста; б — композицияпосле глубинного травления.304НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ.

Введение в специальностьРис. 8.64Схема одноэлектронноготранзистора на одной индуцированной квантовой точкеРис. 8.65Схема метода полученияиндуцированной квантовойпроволокиямы вырезаются квантовые проволоки. Пример форми#рования проволок описан в п.

8.3.3 (рис. 8.11).Индуцированные квантовые точки и проволоки так#же вырезаются из квантовых ям с 2D#электронным газом,но ограничение движения электронов по одному или двумнаправлениям в квантовой яме производится при помощиобедненных областей, создаваемых специальными затво#рами.

На рис. 8.64 показана схема одноэлектронного тран#зистора, работающего на одной индуцированной квантовойточке. Схема поясняет способ формирования квантовойточки (острова) с помощью специальной системы затворов.На поверхность гетероструктуры GaAs–AlGaAs (1), со#держащей квантовую яму с 2D#газом (гетеропереход), на#несена система металлических электродов 2–5, играющихроль затворов. На электроды 2, 3, 4 подается отрицательноесмещение.

В результате отталкивания электронов 2D#газавокруг этих электродов образуются обедненные области,границы которых показаны на рисунке пунктиром. Обед#ненные области отделяют квантовую точку с электроннымгазом (6 — в центре рисунка) от остального 2D#газа. Инду#цированная квантовая точка служит островом, обедненныеобласти — туннельными барьерами.

Электрод 5 (затвор) ис#пользуется для изменения энергии острова относительноостального 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#Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ305лики, и дискретность их энергетического спектра можетпроявляться только при очень низких температурах.Аналогичным образом, с использованием обедненныхобластей в 2D)газе, можно формировать индуцированныеквантовые проволоки. Схема метода показана на рис. 8.65.На рисунке: 1 и 2 — это металлические электроды, 3 —затворы, 4 — область 2D)электронного газа. Подачей от)рицательных потенциалов на затворы в 2D)газе создают)ся обедненные области (их границы обозначены пункти)ром).