Наноэлектроника. Программы по нанотехнологиям

1. Лекция 1

Наноэлектроника
Лекция 1
к.т.н., доц. Марончук И.И.

2.

Целью дисциплины "Наноэлектроника" является
формирование представлений о физических свойствах
электронных систем различной размерности, о том, как
влияет понижение размерности на физические явления,
и какие новые эффекты при этом появляются.

3.

Задачи курса состоят в ознакомлении студентов с
основными тенденциями развития наноэлектроники в
России и зарубежом, в изложении принципиальных
понятий физики твёрдого тела для систем с
пониженной размерностью и развитие основ
понимания физических процессов, протекающих в
этих системах при внешних воздействиях, изучении
технологических основ наноэлектроники, связанные с
применением современных технологических методов
создания наноструктур и приборов наноэлектроники,
изучении принципа работы и особенностей
реализации элементов и приборов наноэлектроники, а
также дать элементарные представления об
использовании этих явлений при создании приборов
наноэлектроники.

4.

Литература по курсу:
а) основная литература:
1. Щука А.А. Наноэлектроника.-М.:Физматлит,2007.-464с
2. Драгунов В.П.,Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы
наноэлектроники:Учеб.пособ.2-еизд.испр.и доп.Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004.-496с
3. Борисенко В.Е., Воробьёва А.И., Уткина Е.А.
Наноэлектроника.- М.: Бином Лаборатория знаний. 2009.
223 с.
4. Шишкин Г.Г., Агеев И.М. Наноэлектроника. Элементы,
приборы, устройства: учеб. пособ. М: БИНОМ.
Лаборатория знаний, 2011. 408 с.
5. Гересименко Н.Н., Пархоменко Ю.Н. Кремний –
материал наноэлектроники М: Техносфера, 2007. 352 с.

5.

1. Розеншер Э., Винтер Б. Оптоэлектроника М.: Техносфера, 2006. 592 с.
2. Варадан В., Виной К., Джозе К. ВЧ МЭМС и их применение М.: Техносфера, 2004. 528 с.
3. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии М: Техносфера, 2005. 144 с.
4. Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции М.: Техносфера, 2006. 224 с.
5. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник М.: Техносфера, 2006. 592 с.
6. Старостин В.В. Материалы и методы нанотехнологий: учеб. пособ. 2-е изд. М: БИНОМ. Лаборатория
знаний, 2010. 431 с.
7. Рыжонков Д.И., Лёвина В.В., Дзидзигури Наноматериалы: Учеб. пособ. 2-е изд. М: БИНОМ. Лаборатория
знаний, 2010. 365 с.
8. Елисеев А.А., Лукашин А.В. Функциональные наноматериалы/ Под ред. Ю.Д. Третьякова. М: Физматлит,
2010. 456 с.
9. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М:
КомКнига, 2006. 592 с.
10. Нано- и микросистемная техника. От исследований к разработкам/ Сборник Под ред. П.П. Мальцева.
М.: Техносфера, 2005. 592 с.
11. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника. Мировые достижения за 2005 г./ Сборник
Под ред. П.П. Мальцева. М.: Техносфера, 2006. 152 с.
12. Хартманн У. Очарование нанотехнологии М.: Бином, 2008. 173 с.
13. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию М.: Бином, 2008. 136 с.
14. Третьяков Ю.Д. Нанотехнологии: Азбука для всех М.: Физмалит, 2008. 368 с.
15. Парфенов В.В. Квантово-размерные структуры в электронике: оптоэлектроника. Казань: КГУ, 2007. 16 с.
16. Нанотехнология и микромеханика: Учебное пособие / Ю.А.Иванов, К.В.Малышев, В.А.Шалаев и др. Ч.
1. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2003. 48 с.
17. Ткачев А.Г., Золотухин И.В. Аппаратура и методы синтеза твердотельных наноструктур М.:
Машиностроение, 2007. 314 с.
18. Вихров С.П., Холомина Т.А. Нанотехнологии и биосистемы. Научное издание. Рязань: «Сервис». 2010,
236 с.

6. Введение.

Основные тенденции развития
микро- и наноэлектроники

7. Технологические уклады в экономике

По теории Н.Кондратьева о больших волнах в экономике развитие
мировой экономики определяется новыми технологическими
укладами, состоящими из 3-х этапов:
1.Научного (10-15 лет),
2.Создание образца (10-15 лет);
3.Проникновение уклада в мировую экономику (10-15 лет)
К основным укладам нашего времени относится:
•IV-технологический уклад (1940-1980 гг.)- массовое производство
автомобилей, самолетов, тяжелое машиностроение, большая химия
•V-технологический уклад (1980-2020 гг.)- компьютеры,
электроника, телекоммуникации, малотоннажная химия
•VI-технологический уклад (2010-2050) – нанотехнологии,
биотехнологии, проектирование живого, робототехника, медицина.

8.

Электроника является динамично
развивающейся областью науки и техники. Весь арсенал средств, которым
располагает современная электроника,
был создан всего за несколько
десятилетий. Фундамент электроники
был заложен трудами физиков в XVIII– XIX в.
Выделяют несколько этапов развития
электроники.
1 этап – до 1904 г. (в 1873 г. А. Лодыгин
изобрел лампу накаливания с
угольным стержнем; в 1883 г. Т. Эдисон
открыл явление термоэлектронной
эмиссии; в 1874 г. Ф. Браун открыл
выпрямительный эффект в контакте
металла с полупроводником; в 1895 г. А.
Попов использовал этот эффект для
детектирования радиосигналов и т.д.).

9.

2 этап – до1948 г.– период развития вакуумных и газоразрядных электроприборов (в 1904 г. Д. Флеминг сконструировал электровакуумный диод;
в
1907 г. Ли–де–Форест изобрел триод; в 1920 году Бонч–Бруевич разработал
генераторные лампы с медным анодом и водяным охлаждением, мощностью
до 1
кВт; в 1924 г. Хеллом разработана экранированная лампа с двумя сетками
(тетрод) и в 1930 г. лампа с тремя сетками (пентод); в 1929 г. В. Зворыкиным был
изобретен кинескоп; с 30–х годов ведется разработка приборов СВЧ–
диапазона
и т.д.).
В настоящее время электровакуумные приборы занимают значительную
нишу в ряду существующих классов приборов электроники и работают в
области высоких уровней мощностей (106–1011 Вт) и частот (108–1012 Гц).
3 этап – с 1948 г. – период создания и внедрения дискретных полупроводниковых приборов.

10.

4 этап – с 1960 г. – период развития микроэлектроники (Роберт Нойс
предложил идею монолитной интегральной схемы и, применив планарную
технологию, изготовил первые кремниевые монолитные интегральные схемы).
Развитие серийного производства интегральных микросхем шло ступенями:
1) 1960 – 1969 гг. – интегральные схемы малой степени интеграции, 102
транзисторов на кристалле размером 0,25 Ч 0,5 мм (МИС).
2) 1969 – 1975 гг. – интегральные схемы средней степени интеграций, 103
транзисторов на кристалле (СИС).
3) 1975 – 1980 гг. – интегральные схемы с большой степенью интеграции,
104 транзисторов на кристалле (БИС).
4) 1980 – 1985 гг. – интегральные микросхемы со сверхбольшой степенью
интеграции, 105 транзисторов на кристалле (СБИС).
5) С 1985 г. – интегральные микросхемы с ультрабольшой степенью интеграции, 107 и более транзисторов на кристалле (УБИС).
Полупроводниковая электроника и микроэлектроника являются основными направлениями при изучении курса электроники в ПГАТИ, поэтому на них
следует обратить особое внимание.

11.

5 этап – с 80–х годов развивается функциональная электроника, позволяющая реализовать определенную функцию аппаратуры без применения
стандартных базовых элементов (диодов, резисторов, транзисторов и т.д.),
базируясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле.
6 этап – в последние годы развивается новое направление – наноэлектроника. Нанотехнологии позволяют манипулировать атомами (размещать в каком–либо порядке или в определенном месте), что дает возможность конструировать новые приборы с качественно новыми свойствами.
Охватывая широкий круг научно–технических и производственных проблем, электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При
этом, с одной стороны, электроника ставит задачи перед другими науками
и
производством, стимулируя их дальнейшее развитие, и с другой стороны, вооружает их качественно новыми техническими средствами и методами исследования

12. Программы по нанотехнологиям

1. Рамочная программа (FP) Европейского Союза (начата в 1997
г.)
На период 2007-2013 гг. в рамках FP-7 выделено 73 млрд. Евро
2. Национальная нанотехнологическая инициатива (США с 2001
г.) ежегодно финансируется более 4 млрд. долларов
3. Программа НАН Украины «Наносистемы, наноматериалы,
нанотехнологии» (с 2003 г.) – финансирование 8,5 млн. грн.
ежегодно
4. Программа «Индустрия наносистем и материалов» (Россия,
2008 г.) Курчатовский институт выделено ежегодно 300 млн.
долларов
5. Программа создания Наукограда (под Москвой) – 2 млрд.
Долларов

13. Иерархия форм материи

Материальный (вещественный) мир многоуровневая система стабильных
материальных образований различных размеров:
Физический вакуум (кварки, гравитоны)
Элементарные частицы, атомы
Макроскопическое состояние вещества
Планеты и солнечные системы
Галактики и их образование
Существуют промежуточные переходные
состояния между стабильными уровнями
(например, наномир)

14. Наномир

Макроскопический объект является 3-х мерным, т.е. во
всех трех измерениях (х, y, z) имеет макроскопические
величины.
Промежуточное состояние между состоянием
изолированных атомов или молекул и состоянием
объемного твердого тела - нанообъекты
Особенность состояния нанообъектов обусловлена:
• образованием размерных эффектов, когда размер
нанообразования соизмерим с характерным размером
физического явления (l, λ, ξ, Δ);
• большой величиной отношения количества
поверхностных атомов к количеству атомов,
содержащихся в объеме

15. Нанообъекты

Нанообъекты имеют в одном, двух или трех измерениях
нанометровые размеры и соответственно называются:
• Двумерные (квантовые ямы, КЯ)-пластины с наномерной
толщиной d (например, d≤ λв), двумерный электронный газ
• Одномерные (квантовые нити, КН)- нити, наноразмерной
толщиной, одномерный электронный газ
• Нульмерные (квантовые точки, КТ)-образования, которые
по x, y, z имеют наноразмерную величину. Квантовые точки
содержат от нескольких сотен до нескольких десятков
тысяч атомов, дискретный энергетический спектр
электронов. Их называют сверхатомами (электроны) или
сверхантиатомами (дырки). КТ могут быть в виде
наночастиц, фуллеренов, нанотрубок, эпитаксиальных
островков

16. Нанонауки, нанотехнологии, наноинженерия

Изучение нанообъектов и нанообразований
осуществляется нанонауками: нанофизика, нанохимия,
нанобиология, наноматериаловедение, нанометрология
Получение их осуществляется нанотехнологиями:
основанными на измельчении макроскопических
материалов и на процессах самосборки из атомов и
молекул.
Применение их осуществляется наноинженерией:
электроникой, приборостроением, фармокологией.

17. Основные вехи становления нанофизики

• 1937 г. Фрерих показал, что металлические
наночастицы имеют особые термодинамические
свойства
• 1962 г. Л. Келдыш предложил создание
искусственных латеральных сверхрешетки
• 1966 г. экспериментальные работы в США и
СССР по квантово-размерным эффектам в
наноразмерных металлических и
полупроводниковых слоях
• 1970 г. Л. Эзаки и Цу предложили выращивать
сверхрешетки методом МВЕ
• 1971 Ж. Алферов вырастил сверхрешетку в
газотранспортном процессе

18.

• 1971 Ж. Алферов, Ю. Жиляев вырастили
сверхрешетку в газотранспортном процессе
• 1980 г. Клитцинг экспериментально открыл на КЯ
целочисленный
квантовый
эффект
Холла
(Нобелевская премия 1985 г.)
• 1982 г. Тсуи, Штермер, Госсард открыли на КЯ
дробный квантовый эффект Холла (Нобелевская
премия 1988 г.)
• 1982 г. Екимов опубликовал работу по получению
квантовых точек в CdSe
• 1991 г. Кенихем получил пористый кремний
• 1993 г. получены фуллерены (Нобелевская премия
1997 г.)

19.

Наноэлектроника – область современной электроники,
занимающаяся разработкой физических и технологических основ
создания интегральных электронных схем и устройств на их основе с
размерами элементов менее 100 нм. (Изготовление электронных устройств, элементы которых имеют линейные размеры в нанодиапазоне).
Основная задача наноэлектроники состоит в разработке новых
электронных устройств со сверхмалыми размерами, создании методов
их получения и объединения в интегральные схемы. Научные
исследования и технологические разработки в наноэлектронике
опираются на передовые знания в области электроники, механики,
материаловедения, физики, химии, биологии и медицине. И
объединяет их объект исследований – структуры со сверхмалыми
размерами и необычными для «большого» мира свойствами.

20.

Под наноэлектроникой понимают направление электроники, в котором
изучаются физические явления и процессы взаимодействия электронов
с электромагнитными полями, а также разработка нанотехнологии создания
приборов
и устройств, в которых данное взаимодействие используется для
передачи, обработки и хранения информации. В настоящее время
наноэлектроника – это использование нанотехнологий в
микроэлектронике для создания новых устройств и улучшения
характеристик уже существующих.
Устройства наноэлектроники базируются на физических эффектах в
наноструктурах и наноматериалах, таких как туннелирование,
квантовый размерный эффект, управления спином частиц, а
также одночастичные и коллективные эффекты в ансамблях
наночастиц.
Под нанотехнологией будем понимать совокупность способов и приемов создания элементов и приборов нанометровых размеров, в том
числе из отдельных молекул и атомов.

21.

Наноэлектроника является логическим
развитием микроэлектроники.
Твердотельные информационные
приборы уменьшились от микро- (10–6)
до нанометрового (10–9) размера.
По мере приближения характерного
размера твердотельной структуры
электронного прибора к нанометровой
области, соизмеримой с размерами атомов, проявляются квантовые свойства
электронов. Если в микроэлектронных
приборах поведение электрона
определилось поведением
элементарной частицы, имеющей массу и заряд, то в
наноэлектронных приборах поведение
электрона определяется его волновыми
свойствами.

22.

История
1947 — У. Шокли, Bell Labs, точечный
транзистор
1951 — У. Шокли, Bell Labs, биполярный
транзистор
1956 — У. Шокли, Нобелевская премия за
открытие транзисторного эффекта
Точечный транзистор (1947)
1952 — Bell Labs, продажа лицензий на
выпуск биполярных транзисторов ($
25000, 26 фирм)
Планарный транзистор (1951)

23.

1954 — Bell Labs, транзистор с
толщиной базы 1 мкм (частота 170 МГц)
1955 — Bell Labs, первый полевой
транзистор
1955 — Bell Labs, в производстве уже
используются все основные
технологические операции
микроэлектроники: осаждение
изолятора, фотолитография с масками
(200 мкм), травление и диффузия
Ручная нарезка маски для
фотолитографии
Схема из патента Эрни на планарный
транзистор
Патент на полевой транзистор (1960)

24.

Кристалл интегральной схемы (триггер, 1960)
Патент Нойса на планарную интегральную схему (1959)
1952 — Джэффри Даммер, идея интегральной схемы («брусок без проводов»)
1958 — Джэк Килби, первая интегральная схема (пять элементов, генератор)
2000 — Джэк Килби, Нобелевская премия за создание интегральной схемы
1963 — транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)
1963 — Фрэнк Уанласс, Fairchild, использование комплементарных МОП (КМОП)
структур уменьшает энергопотребление в статике ~1.000.000 раз

25.

Кремний на изоляторе
1998 — IBM, технология «кремний на
изоляторе» (КНИ, SOI): на
кремниевой пластине формируется
слой SiO2 (изолятор), а поверх него
— тонкий слой Si.
Строго говоря, «кремний на сапфире»
(КНС) — это тоже КНИ, т.к. сапфир
(Al2O3) также является изолятором,
но технология IBM дешевле и лучше
приспособлена к имеющемуся
оборудованию. Однако за 13 лет
лидер полупроводниковой
промышленности, Intel, так это и не
заметил и продолжает использовать
«bulk silicon», т. е. чистые кремниевые
пластины, поскольку они дешевле.
Кремний на изоляторе (IBM, 1998)

26.

Фотолитография
1982 — IBM, внедрение в фотолитографию
эксимерных лазеров с длинами волн 248 (KrF)
и 193 (ArF) нм.
Поскольку воздух поглощает излучение на
длинах волн короче 186 нм, в самых
современных техпроцессах с нормами менее
30 нм по-прежнему используются ArF лазеры.
Рано или поздно состоится переход на
экстремальный ультрафиолет (ЭУФ, EUV) с
длинами волн 13,5 нм (и менее), что заставит
Современный литографический сканер
использовать вакуумные камеры.
ASML TwinScan 1950i
Иммерсионная литография
2006 — иммерсионная литография:
пространство между последней линзой и экспонируемой
пластиной заполняется не воздухом, а жидкостью (на
сегодня — водой). Из-за большего показателя
преломления жидкости (1 для воздуха
и 1,33 для воды) и соответствующего роста числовой
апертуры (