Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 25
Текст из файла (страница 25)
схе$му на рис. 2.2). Известно более 3×105 неорганических иоколо 7×106 органических молекул. Среди громадного чис$ла различающихся по составу и структуре органическихмолекул 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 идеясоздания молекулярной электроники.
Уже существуютпростейшие молекулярные схемы (см. гл. 7). Постепеннорешается 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 большиесредства в развитие этой области. Например, Агентствоперспективных оборонных исследований развернуло боль$шую программу по созданию элементной базы молекуляр$ного компьютера. Уже разработано несколько гипотети$ческих схем.
Если каждый транзистор будет состоять изодной молекулы, то процессор из 109 таких транзисторовбудет размером с песчинку. При этом производительностьего возрастет в сотни или даже тысячи раз по сравнению ссовременными, а энергопотребление будет очень малым.Следует отметить, что хотя теоретические основы мо$лекулярной электроники хорошо разработаны и созданыдействующие прототипы многих элементов, на пути ре$ального изготовления молекулярных схем стоят большиесложности, и пока молекулярная электроника — толькоодно из перспективных направлений наноэлектроники.Еще одно из перспективных направлений наноэлек$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».
Битинформации соответствует выбору одной из этих цифр.Последовательность N цифровых битов позволяет предста$вить любое число в интервале от 0 до 2N–1.140НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьВ квантовых вычислениях оперируют квантовымибитами; кратко — кубитами. Кубит — это волновая функция состояний (см. п. 4.3) квантовомеханической двухуровневой системы (например, состояний электронногоспина ±1/2). Один кубит может передать только один битинформации.
Но система из N двухуровневых квантовыхэлементов может находиться в суперпозиции из 2N состояний («Суперпозиция состояний» — понятие квантовоймеханики, отражающее одно из важнейших свойств объектов микромира).В квантовых компьютерах информация передается,хранится и обрабатывается в виде волновой функции N кубитов.
Если последовательность N цифровых битов можетзадать одно из 2N чисел, то последовательность N кубитовзадает все эти 2N чисел одновременно.Поэтому с помощью квантовых компьютеров можнорешать более сложные задачи, чем с помощью обычных.Объем и скорость операций с информацией во много разувеличивается не только благодаря уменьшению времениодной операции, но и благодаря распараллеливанию вычислений: выполняется параллельная обработка сразу всехамплитуд 2N состояний, тогда как в классическом компьютере такая операция потребовала бы 2N шагов. Например,квантовый компьютер с регистром из 30 кубитов можетописывать систему из 230 » 1010 элементов, тогда как обычный компьютер не сможет вычислить будущее системы из30 электронов в потенциальной яме, если задано начальное состояние и силы взаимодействия частиц.
Такие задачи могут стать актуальными в связи с необходимостьюмоделирования электронных процессов в приборах наноэлектроники, в том числе молекулярных схем. Одно изинтересных направлений — использование в качестве состояний кубитов двух спиновых электронных состояний,например в квантовых точках в гетороструктурах A3B5.Пока квантовые компьютеры — гипотетические устройства. Разработаны квантовые алгоритмы вычислений длянекоторых простых задач (например, разложение nзначного числа на простые множители) и созданы компьютерыс небольшими регистрами из нескольких кубитов.Часть 3.
ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ141Многие научные и технические разработки, откры вающие перспективы создания наноэлектронных элемен тов, функционирующих на новых принципах, были бытрудно реализуемыми на практике, если бы не сопрово ждались разработками соответствующей исследователь ской и технологической аппаратуры. К такой аппарату ре относятся прежде всего сканирующий туннельныймикроскоп (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 перемещатьотдельные 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 свойствповерхностей с атомным разрешением, а также методылокальной обработки и модификации поверхностей в мас штабе единиц нанометров.Сканирующий атомно силовой микроскоп (1986) —это многофункциональный инструмент. Он дает, как иСТМ, изображение поверхностей с атомным разрешени ем. Используется для исследования морфологии поверх ностей, распределений приповерхностных силовых и тем пературных полей, распределений физических свойствповерхностей и для исследования поверхностных процес сов (например, травления).
Используется, как и СТМ, длялокальных модификаций поверхностей в нанометровоммасштабе. На основе АСМ ведутся разработки ультраплот ной записи информации и сверхчувствительных сенсоров.Сканирующие зондовые микроскопы играют такуюбольшую роль в нанотехнологиях, что их называют глаза ми и пальцами нанотехнологий.В настоящей главе перечислены далеко не все достиже ния науки, позволяющие заложить основы современнойнаноэлектроники.
Однако перечисленного достаточно,чтобы увидеть обилие и значимость таких достижений.Еще больше имеется частных технических достижений,142НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностькоторые позволяют во многих случаях достаточно быстровоплощать научные разработки в практику (см. гл. 7 и 8).В заключение отметим, что рассматриваемые в даннойглаве направления науки относятся к наиболее актуальным. В соответствии с индексом актуальности Хирта–Бэнкса (h–b-индекс) эти направления занимают первые позиции, располагаясь в порядке: углеродные трубки, нанопроводники, квантовые точки, фуллерены, гигантскиймагниторезистивный эффект, М-теория (микромир), квантовые вычисления. Индекс h–b определяется скоростьюпубликаций статей в рассматриваемом направлении, накаждую из которых имеется не менее 10 ссылок.ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ1.
Как изменялся по годам минимальный размер элементов ИМС?2. Перечислите и поясните основные этапы изготовления ИМС.3. Какими особенностями характеризуются методы получения полупроводниковых материалов?4. Какие требования предъявляются к полупроводниковым пластинам для ИМС?5.
Что такое эпитаксия, эпитаксиальные структуры? Какова рольэпитаксиальных структур в технологии ИМС на кремнии?6. Охарактеризуйте диффузионный метод формирования элементов ИМС.7. Охарактеризуйте метод получения элементов ИМС с помощьюионного легирования.8. Что такое фотолитография? Какие виды литографии вы знаете?9. Укажите методы формирования элементов ИМС, которые могут быть использованы в наноэлектронике.10. Каковы признаки преемственности нано- и микроэлектроники?11. Дайте краткий обзор новой научной базы наноэлектроники.•7•ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫНАНОЭЛЕКТРОНИКИ7.1.КВАНТОВОРАЗМЕРНЫЕЭФФЕКТЫРазмерный эффект — зависимость свойств тела от егоразмера. Этот эффект возникает, если протяженностьтела, по крайней мере в одном измерении, становитсясравнимой с некоторой критической величиной lк.
Дляклассических размерных эффектов lк — классическая величина, например диффузионная длина, длина свободного пробега электронов и т. д.Квантовые размерные эффекты (в электронных структурах) имеют место тогда, когда роль длины lк играетсущественно квантовая характеристика — длина волны де Бройля l для электронов, т. е. когда размер структуры хотя бы в одном измерении имеет порядок l. Квантоворазмерные эффекты обусловлены волновой природойэлектронов.В наноразмерных областях поведение электронов определяется отражением электронных волн от границ раздела таких областей, интерференцией электронных волн,прохождением волн сквозь потенциальные барьеры. Этими явлениями объясняются квантоворазмерные эффектыв наноструктурах, например квантование энергии электронов, пространственно ограниченных в своих перемещениях (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
